DE102015221877A1 - Image-based biomarker for characterizing the structure or function of human or animal brain tissue and related uses and methods - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft neue bildbasierte Biomarker zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion eines menschlichen oder tierischen Gehirns. Diese Biomarker können ein gewichteter Konfluenz-Summen-Score (WCSS) oder eine prozentuale Abschirmung durch Hirnläsionen (SbBL) sein. Die Verwendung dieser Biomarker, Verfahren, welche dieser Biomarker anwenden, sowie ein geeignetes Computerprogrammprdoukt zur Durchführung von entsprechenden Verfahren werden ebenfalls offenbart.The invention relates to novel image-based biomarkers for characterizing the structure or function of a human or animal brain. These biomarkers may be a weighted confluency-cumulative score (WCSS) or percentage shielding by brain lesions (SbBL). The use of these biomarkers, methods employing these biomarkers, as well as a suitable computer program product for carrying out such methods are also disclosed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bildbasierten Biomarker zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, verschiedene Verwendungen dieses Biomarkers gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 5 bis 7, zwei Verfahren zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe durch Verwendung eines solchen Biomarkers gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 8 bzw. 13 und ein Computerprogrammprodukt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15. The present invention relates to an image-based biomarker for characterizing the structure or function of human or animal brain tissue according to the preamble of claim 1, various uses of this biomarker according to the preambles of claims 5 to 7, two methods for characterizing the structure or function of human or animal Brain tissue by using such a biomarker according to the preambles of claims 8 or 13 and a computer program product according to the preamble of claim 15.

Biomarker, insbesondere Biomarker aus Magnetresonanz (MR), Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder Bildgebung auf der Basis von magnetischen Partikeln (Magnetic Particle Imaging – MPI), erlauben die Detektion und quantitative Charakterisierung struktureller oder funktioneller Veränderungen des menschlichen oder tierischen Gehirns, die in Verbindung mit verschiedenen Krankheiten auftreten können, unter Einbeziehung von und nicht beschränkt auf zerebrovaskuläre, neurodegenerative und entzündliche Erkrankungen. Dadurch können Biomarker, die auf diesen bildgebenden Modalitäten basieren, die Diagnose, Therapieplanung und Therapieüberwachung in der routinemäßigen Patientenversorgung unterstützen. Solche Biomarker können auch eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer Behandlungen, neuer Medikamente und nicht-pharmakologischer Behandlungsmöglichkeiten spielen, nicht nur durch die Unterstützung der Einbeziehung entsprechender Patienten in klinische Studien, sondern auch durch die Bereitstellung von objektiven resultierenden Ergenissen für die Bewertung von Therapieeffekten. Biomarkers, particularly biomarkers of magnetic resonance (MR), positron emission tomography (PET) or magnetic particle imaging (MPI), allow the detection and quantitative characterization of structural or functional changes of the human or animal brain, which may occur in association with various diseases, including but not limited to cerebrovascular, neurodegenerative and inflammatory diseases. This allows biomarkers based on these imaging modalities to support diagnosis, treatment planning, and therapy monitoring in routine patient care. Such biomarkers may also play an important role in the development of new treatments, new drugs, and non-pharmacological treatment options, not only by supporting the inclusion of appropriate patients in clinical trials, but also by providing objective resulting outcomes for the evaluation of therapeutic effects.

Biomarker tragen zu einer verbesserten Genauigkeit einer Diagnose im Vergleich zur konventionellen klinischen Diagnostik mit nur symptombasierten Kriterien bei. Dies wird durch den Nachweis von pathophysiologischen Veränderungen im Gehirn, die für die zugrundeliegende Erkrankung charakteristisch sind, erreicht. Biomarkers contribute to improved accuracy of diagnosis compared to conventional clinical diagnostics using only symptom-based criteria. This is achieved by demonstrating pathophysiological changes in the brain that are characteristic of the underlying disease.

"Zerebrovaskuläre Krankheiten" ist der Begriff für Krankheiten, die die Gehirn versorgenden Blutgefäße beeinflussen. Zerebrovaskuläre Erkrankungen können kleine und / oder große Gefäße beeinträchtigen. Zerebrovaskuläre Erkrankungen können in MR-Bildern des Gehirns nachgewiesen werden, auf denen sie sich in einer Vielzahl verschiedener Strukturveränderungen, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) große Infarkte, akute subkortikale Infarkte, Lakunen, subkortikale Hyperintensitäten, perivaskuläre Räume, Mikroblutungen und Hirnatrophie, manifestieren [1]. "Cerebrovascular disease" is the term for diseases that affect the brain supplying blood vessels. Cerebrovascular disease can affect small and / or large vessels. Cerebrovascular diseases can be detected in MR images of the brain where they manifest in a variety of structural changes, including but not limited to large infarcts, acute subcortical infarcts, lacunae, subcortical hyperintensities, perivascular spaces, microbleeds, and cerebral atrophy [ 1].

Die MR-Bildgebung ermöglicht allgemein die Detektion und quantitative Charakterisierung von strukturellen Läsionen im menschlichen oder tierischen Gehirn, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) struktureller Läsionen, die mit einer zerebrovaskulärer Erkrankung in Verbindung stehen. MR imaging generally enables the detection and quantitative characterization of structural lesions in the human or animal brain, including (but not limited to) structural lesions associated with cerebrovascular disease.

Beispielsweise sind subkortikale Hyperintensitäten per Definition als Hyperintensitäten in T2-gewichteten MR-Bildern vorhanden und befinden sich innerhalb der weißen Substanz des Gehirns oder in subkortikaler grauer Substanz oder im Hirnstamm. Somit sind subkortikale Hyperintensitäten Läsionen (innerhalb der spezifizierten Hirnregionen), die in T2-gewichteten MR-Bildern heller erscheinen als normal. Sie können leicht durch visuelle Begutachtung von T2-gewichteten MR-Bildern detektiert werden (siehe 1A). For example, by definition, subcortical hyperintensities are present as hyperintensities in T2-weighted MR images and are located within the white matter of the brain or subcortical gray matter or brainstem. Thus, subcortical hyperintensities are lesions (within the specified brain regions) that appear lighter in T2-weighted MR images than normal. They can easily be detected by visual assessment of T2-weighted MR images (see 1A ).

Strukturelle Läsionen im Gehirn treten sehr häufig im Alter auf, so dass praktisch alle älteren Menschen strukturelle Hirnläsionen zeigen, wobei sie stark variieren können. Strukturelle Hirnläsionen können mit dem gesamten Spektrum der kognitiven Abnahme / Dysfunktion assoziiert werden, angefangen von einem subjektiv empfundenen Rückgang der kognitiven Leistungsfähigkeit (subjective cognitive decline) über eine leichte kognitive Beeinträchtigung (mild cognitive impairment) bis hin zur Demenz, die die Aktivitäten des täglichen Lebens beeinflusst. Allerdings können strukturelle Hirnläsionen auch ohne Symptome auftreten. Daher besteht eine wichtige diagnostische Fragestellung darin, ob die strukturellen Hirnläsionen, die bei einem gegebenen Patienten festgestellt werden, die Ursache seines kognitiven Abfalls sind oder nicht. Im letzteren Fall sollte der Patient auf weitere diagnostische Tests hingewiesen werden, um die zugrundeliegende Erkrankung, beispielsweise die Alzheimer-Krankheit, zu identifizieren. Structural lesions in the brain are very common in old age, so that virtually all older people show structural brain lesions, although they can vary widely. Structural brain lesions can be associated with the full spectrum of cognitive decline / dysfunction, ranging from a subjectively perceived decline in subjective cognitive decline, to mild cognitive impairment, to dementia affecting the activities of daily living affected. However, structural brain lesions can also occur without symptoms. Therefore, an important diagnostic issue is whether or not the structural brain lesions found in a given patient are the cause of their cognitive decline. In the latter case, the patient should be advised of further diagnostic tests to identify the underlying disease, for example Alzheimer's disease.

Die zuverlässige Erkennung der Ursache des Rückgangs der kognitiven Leistungsfähigkeit, beispielsweise der Differenzierung zwischen vaskulär-bedingtem kognitiven Abfall und der Alzheimer-Krankheit, hat unmittelbare therapeutische Konsequenzen: Verringerung der Risikofaktoren, um das Fortschreiten des vaskulär-bedingten Rückgangs der kognitiven Leistungsfähigkeit zu vermeiden, gegenüber der Gabe von Cholinesterasehemmern bei der Alzheimer-Krankheit. Ein weiteres, klinisch hoch relevantes diagnostisches Problem ist die Schätzung des Risikos, das mit erkannten strukturellen Hirnläsionen einhergeht, zum Beispiel das Risiko eines kognitiven Abfalls oder das Risiko eines Schlaganfalls in der Zukunft. Reliable detection of the cause of the decline in cognitive performance, such as the differentiation between vascular cognitive decline and Alzheimer's disease, has immediate therapeutic consequences: reduction of the risk factors to avoid the progression of the vascular decline in cognitive performance the administration of cholinesterase inhibitors in Alzheimer's disease. Another clinically highly relevant diagnostic problem is the estimation of the risk associated with identified structural brain lesions, such as the risk of cognitive decline or the risk of stroke in the future.

Es gibt zunehmend Hinweise in der wissenschaftlichen Literatur, dass das Muster der Hirnläsionsbelastung Informationen liefert, die für Differentialdiagnose und Risikostratifizierung relevant sind. There is increasing evidence in the scientific literature that the pattern of brain lesion loading provides information relevant to differential diagnosis and risk stratification.

Dennoch wird in der Patientenversorgung die Hirnläsionslast meist nur qualitativ oder mit einem visuellen Scoring-System beurteilt [2]. Allerdings haben diese visuellen Scores gezeigt, dass sie nicht nur zwischen verschiedenen Ratern sehr variabel sind (niedrige Inter-Rater-Stabilität), sondern auch dann, wenn der gleiche Rater wiederholt die Bewertung des gleichen Bildes durchführt (niedrige Intra-Rater Stabilität). Dies schränkt die Nützlichkeit dieser visuellen Scores eindeutig ein. Nevertheless, the burden of cerebral lesion in patient care is usually only assessed qualitatively or with a visual scoring system [2]. However, these visual scores have shown that they are not only very variable between different raters (low inter-rater stability), but also when the same rater repeatedly performs the same image rating (low intra-rater stability). This clearly limits the usefulness of these visual scores.

Die quantitative Beurteilung struktureller Hirnläsionen erfolgte durch manuelle Läsionsabgrenzung, durch automatische Läsionssegmentierungsalgorithmen oder durch eine Kombination beider [3–8]. Die meisten der beschriebenen halbautomatischen Software-Tools bieten die Möglichkeit, erkannte Läsionen zu lokalisieren, sowohl auf der Basis von Hirnregionen, die in einem anatomischen Standardraum (Atlasraum) vordefiniert sind, als auch unter Verwendung von Parzellierungstechniken. Quantitative assessment of structural brain lesions was performed by manual lesion delineation, automatic lesion segmentation algorithms, or a combination of both [3-8]. Most of the described semiautomatic software tools provide the ability to locate detected lesions, both on the basis of brain regions predefined in a standard anatomical space (atlas space) and using parceling techniques.

Aus dem Stand der Technik ist ferner bekannt, eine "Asphärizität" eines Tumors in der Ganzkörper-Positronen-Emissionstomographie (PET) mit dem Glukose-Analogon [F-18]-Fluorodeoxyglucose (FDG) [9–11] zu definieren. Die Asphärizität in der FDG-PET ist ein Maß für die Formunregelmäßigkeit des metabolisch aktiven Teils des Tumors und wurde vorgeschlagen, um die Überlebenszeit von Tumorpatienten vorherzusagen. Die Asphärizität wird auf eine einzige Tumorläsion angewendet. Sie wurde nicht auf mehrere Läsionen oder Läsionsmuster angewendet. Infolgedessen ist die Asphärizität eines Tumors in keiner Weise gewichtet worden. It is also known from the prior art to define an "asphericity" of a tumor in whole-body positron emission tomography (PET) with the glucose analog [F-18] fluorodeoxyglucose (FDG) [9-11]. The asphericity in the FDG-PET is a measure of the irregularity of shape of the metabolically active part of the tumor and has been suggested to predict the survival time of tumor patients. The asphericity is applied to a single tumor lesion. It was not applied to multiple lesions or lesion patterns. As a result, the asphericity of a tumor has not been weighted in any way.

Die Positronen-Emissions-Tomographie des Gehirns mit dem Glukose-Analogon F-18-Fluorodeoxyglucose (FDG-PET) liefert Biomarker für veränderte (synaptische) Hirnfunktionen. Veränderungen der Hirnfunktion können durch Verlust / Dysfunktion von Neuronen verursacht werden, die eine neurodegenerative Erkrankung anzeigen, z.B. die Alzheimer-Krankheit (AD). Positron emission tomography of the brain with the glucose analogue F-18 fluorodeoxyglucose (FDG-PET) provides biomarkers for altered (synaptic) brain functions. Changes in brain function can be caused by loss / dysfunction of neurons that indicate a neurodegenerative disease, e.g. Alzheimer's disease (AD).

US 6,366,797 B1 beschreibt ein Verfahren zur Analyse von Magnetresonanzbildern eines Gehirns, um die Schwere eines medizinischen Zustands zu bestimmen, indem ein Verhältnis zwischen dem Hirnvolumen und dem Volumen eines spezifischen Bereichs innerhalb des Gehirns berechnet wird. US 6,366,797 B1 describes a method of analyzing magnetic resonance images of a brain to determine the severity of a medical condition by calculating a ratio between the brain volume and the volume of a specific area within the brain.

US 7,995,825 B2 beschreibt ein Verfahren zur Klassifizierung von Gewebe in einem Magnetresonanzbild durch Konstruieren eines Pixelintensitätshistogramms eines zuvor aufgenommenen Magnetresonanzbildes und Anwenden einer statistischen Regressionsanalyse auf das Histogramm, um einen Pixelintensitätsschwellenwert zu bestimmen, der das Histogramm in mindestens zwei Regionen segmentiert. US Pat. No. 7,995,825 B2 describes a method for classifying tissue in a magnetic resonance image by constructing a pixel intensity histogram of a previously acquired magnetic resonance image and applying a statistical regression analysis to the histogram to determine a pixel intensity threshold that segments the histogram into at least two regions.

US 2003/0088177 A1 beschreibt ein Verfahren zur Beurteilung eines neurologischen Zustands eines Patienten durch Identifizierung eines Biomarkers des Nervensystems des Patienten in einem dreidimensionalen Bild und durch Speichern einer Identifizierung des Biomarkers und einer quantitativen Messung davon in einem Speichermedium. Der Biomarker kann eine Form, Topologie und Morphologie von Hirnläsionen, von Gehirn-Plaques, von Gehirn-Ischämie oder von Hirntumoren sein, eine räumliche Häufigkeitsverteilung von Sulci und Gyri, eine Kompaktheit von grauer Substanz und weißer Substanz, Gesamthirncharakteristiken, graue Hirngewebeeigenschaften, weiße Hirngewebeeigenschaften, Eigenschaften der Hirnflüssigkeit, Hippocampus-Charakteristiken, Gehirn-Unterstruktur-Charakteristiken, ein Verhältnis des Volumens der Hirnflüssigkeit zur grauen Substanz und zur weißen Substanz, und Anzahl und Volumen von Hirnläsionen. US 2003/0088177 A1 describes a method for assessing a patient's neurological condition by identifying a biomarker of the patient's nervous system in a three-dimensional image and storing an identification of the biomarker and quantitatively measuring it in a storage medium. The biomarker may be a shape, topology and morphology of brain lesions, brain plaques, brain ischemia or brain tumors, spatial frequency distribution of sulci and gyri, compactness of gray matter and white matter, whole brain characteristics, gray matter brain tissue properties, white brain tissue properties , Cerebellar fluid properties, hippocampal characteristics, brain substructure characteristics, a ratio of brain fluid volume to gray matter and white matter, and number and volume of brain lesions.

US 8,112,144 B2 beschreibt eine Vorrichtung zum Beurteilen einer zerebralen Atrophie, die so ausgelegt ist, dass sie einen numerischen Wert berechnet, der ein Volumen eines konvexen Rumpfes der grauen Substanz oder der weißen Substanz eines Gehirns darstellt, und einen Wert, der ein erstes Verhältnis zwischen diesem numerischen Wert und einem numerischen Wert, der das Gehirnvolumen repräsentiert, berechnet. Danach wird eine zerebrale Atrophie aus dem Wert des ersten Verhältnisses bestimmt. US 8,112,144 B2 describes a device for assessing cerebral atrophy which is designed to calculate a numerical value representing a volume of a convex hull of gray matter or white matter of a brain, and a value representing a first ratio between that numerical value and a numerical value representing the brain volume. Thereafter, cerebral atrophy is determined from the value of the first ratio.

US 8,423,118 B2 beschreibt ein System zur automatisierten Differentialdiagnose einer Demenz, einschließlich einer Wissensbasis, die eine Vielzahl von Hirnscanbildern umfasst, die Muster einer Vielzahl von Demenzformen und Demenz-Schweregraden und eines oder mehrerer gesunder Hirnscanbildern aufweisen. Das System kann Diagnoseinformationen ausgeben, die Bilder des Patienten mit hervorgehobenen hypometabolischen Bereichen umfasst, wobei die Hervorhebung farbkodiert ist, um eine Art von Demenz anzuzeigen, wobei verschiedenen Farben verschiedene Demenzformen entsprechen. US 8,423,118 B2 describes a system for automated differential diagnosis of dementia, including a knowledge base comprising a plurality of brain scan images having patterns of a plurality of dementia forms and dementia severities and one or more healthy brain scan images. The system may output diagnostic information including images of the patient having highlighted hypometabolic regions, the highlighting being color-coded to indicate a type of dementia, wherein different colors correspond to different forms of dementia.

Die Auswirkungen von strukturellen Hirnläsionen, einschließlich der Hyperintensitäten der weißen Substanz (white matter hypointensities – WMHs), auf den zerebralen Glukosestoffwechsel sind in der Literatur gut dokumentiert. Kochunov et al (2009) [12] dokumentierten die Assoziation zwischen der WMH-Belastung und dem global reduzierten zerebralen Glukosestoffwechsel. Tullberg et al. (2004) [13] und Reed et al. (2004) [14] fanden eine starke Assoziation zwischen WMHs und einem regionalen Rückgang des zerebralen Glukosestoffwechsels, der am stärksten im Frontallappen ausgeprägt ist. Eine neuere Arbeit von Glodzik et al. (2014) [15] zeigte, dass eine Unterbrechung der weißen Substanzfasern, die graue Hirngewebebereiche miteinander verbinden, durch strukturelle Hirnläsionen verursacht, zu einem Rückgang des Glukosestoffwechsels in den verbundenen grauen Hirnsubstanzbereichen führt. The effects of structural brain lesions, including white matter hypointensities (WMHs), on cerebral glucose metabolism are well documented in the literature. Kochunov et al (2009) [12] documented the association between WMH exposure and globally reduced cerebral glucose metabolism. Tullberg et al. (2004) [13] and Reed et al. (2004) [14] found a strong association between WMHs and a regional decline in cerebral glucose metabolism, which is most pronounced in the frontal lobe. A recent work by Glodzik et al. (2014) [15] showed that disruption of the white matter fibers connecting gray areas of the brain tissue, caused by structural brain lesions, leads to a decrease in glucose metabolism in the connected gray matter areas.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue bildbasierte Biomarker bereitzustellen, die zuverlässigere Ergebnisse liefern als Biomarker, die aus dem Stand der Technik bekannt sind und die Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe charakterisieren. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, geeignete Anwendungen dieser Biomarker und Verfahren, die die Anwendung dieser Biomarker umsetzen, zur Verfügung zu stellen. It is an object of the present invention to provide novel image-based biomarkers which provide more reliable results than biomarkers known in the art which characterize the structure or function of human or animal brain tissue. It is another object of the present invention to provide suitable applications of these biomarkers and methods that implement the application of these biomarkers.

Diese Aufgabe wird durch einen bildbasierten Biomarker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein solcher Biomarker ist zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe, insbesondere von menschlichem oder tierischem Gehirn oder Teilen davon, geeignet. Dadurch ist er besonders geeignet, abnormes Hirngewebe, d.h. Hirngewebe, das ungewöhnliche (verändert im Vergleich zu einer gesunden Standardpopulation) oder erkrankte Zellen enthält, zu charakterisieren. This object is achieved by an image-based biomarker having the features of claim 1. Such a biomarker is useful for characterizing the structure or function of human or animal brain tissue, particularly human or animal brain or parts thereof. This makes it particularly suitable for detecting abnormal brain tissue, i. To characterize brain tissue that contains abnormal (altered compared to a healthy standard population) or diseased cells.

Der bildbasierte Biomarker basiert auf einem Bild des Gehirngewebes (z.B. eines Gehirns oder eines Teils eines Gehirns in seiner nativen Umgebung, d.h. im Kopf eines lebenden Subjekts), wobei das Bild mindestens eine Hirnläsion zeigt und Informationen über Oberfläche und Volumen der Hirnläsion (insbesondere wenn ein dreidimensionales Bild betrachtet wird) oder Umfang und Fläche der Hirnläsion (insbesondere wenn ein zweidimensionales Bild betrachtet wird) enthält. Eine Vielzahl von Hirnläsionen stellt eine Läsionskarte dar, die ein geeignetes Bild im Rahmen der vorliegenden Offenlegungsschrift ist. The image-based biomarker is based on an image of the brain tissue (eg, a brain or part of a brain in its native environment, ie the head of a living subject), the image showing at least one brain lesion and information about the surface and volume of the brain lesion (especially if there is a brain lesion) 3-dimensional image) or the circumference and area of the brain lesion (especially when viewing a two-dimensional image). A variety of brain lesions represent a lesion map, which is a suitable image in the context of the present disclosure.

Der Biomarker wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus einem gewichteten Konfluenz-Summen-Score (weighted confluency sum score – WCSS) und einer prozentualen Abschirmung einer Hirnregion durch Hirnläsionen (shielding by brain lesions – SbBL) besteht. Dabei ist der WCSS die gewichtete Summe eines Maßes, das eine Beziehung zwischen einer Oberfläche und einem Volumen von Hirnläsionen (wenn ein dreidimensionales Bild vorliegt) oder zwischen einem Umfang und einer Fläche von Hirnläsionen (wenn ein zweidimensionales Bild vorliegt) über mindestens eine erkannte Hirnläsion herstellt. Insbesondere ist der WCSS die Summe der gewichteten Konfluenzen über mindestens zwei oder mehr Hirnläsionen eines Bildes. The biomarker is selected from the group consisting of a weighted confluency sum score (WCSS) and a shielding by brain lesion (SbBL) percentage shielding of a brain region. The WCSS is the weighted sum of a measure that establishes a relationship between a surface and a volume of brain lesions (when there is a three-dimensional image) or between a perimeter and an area of brain lesions (when there is a two-dimensional image) over at least one recognized brain lesion , In particular, the WCSS is the sum of the weighted confluences over at least two or more brain lesions of an image.

Dabei ist die Konfluenz einer Hirnläsion ein Maß für die Beziehung zwischen einer Oberfläche der Hirnläsion und einem Volumen der Hirnläsion oder zwischen einem Umfang der Hirnläsion und einer Fläche der Hirnläsion. The confluence of a brain lesion is a measure of the relationship between a surface of the brain lesion and a volume of the brain lesion or between a circumference of the brain lesion and an area of the brain lesion.

Zusätzlich ist die prozentuale Abschirmung einer Hirnregion durch Hirnläsionen (SbBL) ein Maß für den Anteil einer Umgebung der betrachteten Hirnregion, der zu einer Hirnläsion gehört. Die Hirnläsionen können auf dem Bild als einzelne Voxel oder einzelne Pixel oder als Cluster von zusammenhängenden Voxeln oder Pixeln dargestellt werden. In addition, the percentage shielding of a brain region by brain lesions (SbBL) is a measure of the proportion of an environment of the considered brain region that belongs to a brain lesion. The brain lesions may be represented on the image as individual voxels or individual pixels or as clusters of contiguous voxels or pixels.

Die prozentuale Abschirmung durch Hirnläsionen ist ein geeigneter Marker, um Fernwirkungen von Hirnläsionen zu bewerten. Es zeigte sich, dass je höher die Abschirmung eines ausgewählten Gehirnbereichs durch Hirnläsionen ist, desto höher ist die (beeinträchtigende) Wirkung dieser Hirnläsionen auf Fernhirnarealen, die nicht Teil von Hirnläsionen sind. Dies kann durch einen Verlust der Kommunikationsmöglichkeiten zwischen entfernten (und nicht betroffenen) Gehirnbereichen und dem Gehirnbereich erklärt werden, der durch Hirnläsionen (hoch) abgeschirmt ist. Die Hirnläsionen unterbrechen sonst existierende Kommunikationskanäle zwischen den entfernten Gehirnbereichen und dem Gehirnbereich, der durch Hirnläsionen abgeschirmt ist. The percentage shielding by brain lesions is a suitable marker to evaluate long-range effects of brain lesions. It has been shown that the higher the shielding of a selected brain area by brain lesions, the greater the (debilitating) effect of these brain lesions on far brain areas that are not part of brain lesions. This can be explained by a loss of communication capabilities between distant (and unaffected) brain areas and the brain area that is shielded (high) by brain lesions. The brain lesions disrupt otherwise existing communication channels between the removed brain areas and the brain area shielded by brain lesions.

Allgemein kann die Hirnläsion z.B. eine kortikale Läsion, eine subkortikale Läsion, eine Hyperintensitätsläsion, wie z.B. eine kortikale und/oder subkortikale Hyperintensitätsläsion, und/oder eine Hypointensitätsläsion wie z.B. eine kortikale und/oder subkortikale Hypointensitätsläsion, sein. Generally, the brain lesion may e.g. a cortical lesion, a subcortical lesion, a hyperintensity lesion, e.g. a cortical and / or subcortical hyperintensity lesion, and / or a hypointensity lesion, e.g. a cortical and / or subcortical hypointensity lesion.

In einer Ausführungsform ist der gewichtete Konfluenz-Summen-Score (WCSS) proportional zur (kubischen) Wurzel des Verhältnisses zwischen der gegebenenfalls exponentiell wachsenden Oberfläche der Hirnläsion und dem gegebenenfalls exponentiell wachsenden Volumen der Hirnläsion, z. B:

Figure DE102015221877A1_0002
wobei x gleich 1, 2, 3 oder 4,
y gleich 1, 2, 3 oder 4 und
z gleich 2, 3 oder 4 ist. In one embodiment, the weighted confluency cumulative score (WCSS) is proportional to the (cubic) root of the ratio between the potentially exponentially growing surface of the brain lesion and the potentially exponentially increasing volume of the brain lesion, e.g. B:
Figure DE102015221877A1_0002
where x is 1, 2, 3 or 4,
y is 1, 2, 3 or 4 and
z is 2, 3 or 4.

Geeignete Beispiele für Formeln zur Berechnung des gewichteten Konfluenz-Summen-Scores sind:

Figure DE102015221877A1_0003
Suitable examples of formulas for calculating the weighted confluence-sum score are:
Figure DE102015221877A1_0003

In einer Ausführungsform ist der gewichtete Konfluenz-Summen-Score (WCSS) proportional zur Wurzel des Verhältnisses zwischen dem gegebenenfalls exponentiell wachsenden Umfang der Hirnläsion und der gegebenenfalls exponentiell wachsenden Fläche der Hirnläsion, z. B.

Figure DE102015221877A1_0004
wobei x gleich 1, 2, 3 oder 4,
y gleich 1, 2, 3 oder 4 und
z gleich 2, 3 oder 4 ist. In one embodiment, the weighted confluency cumulative score (WCSS) is proportional to the root of the ratio between the possibly exponentially increasing circumference of the brain lesion and the potentially exponentially growing area of the brain lesion, e.g. B.
Figure DE102015221877A1_0004
where x is 1, 2, 3 or 4,
y is 1, 2, 3 or 4 and
z is 2, 3 or 4.

Geeignete Beispiele für Formeln zur Berechnung des gewichteten Konfluenz-Summen-Scores sind:

Figure DE102015221877A1_0005
Suitable examples of formulas for calculating the weighted confluence-sum score are:
Figure DE102015221877A1_0005

In einer Ausführungsform wird der gewichtete Konfluenz-Summen-Score gemäß Formel (I) berechnet:

Figure DE102015221877A1_0006
In one embodiment, the weighted confluence-cumulative score is calculated according to formula (I):
Figure DE102015221877A1_0006

Die sogenannte Konfluenz (confluencyi), auf die in Formel (I) verwiesen wird, ist ein Maß für die Sphärizität einzelner Hirnläsionen. Sie wird in einer Ausführungsform gemäß Formel (II) oder Formel (III) berechnet:

Figure DE102015221877A1_0007
wobei

WCSS
für den gewichteten Konfluenz-Summen-Score steht,
i
ein Summationsindex ist, der über alle oder eine Untergruppe der Hirnläsionen läuft, die auf dem Bild des Hirngewebes abgebildet sind,
wi
ein Gewichtungsfaktor ist, der die Relevanz der i-ten Hirnläsion für eine betrachtete Anwendung quantifiziert,
surfi
eine Schätzung der Oberfläche der i-ten Hirnläsion darstellt,
voli
eine Schätzung des Volumens der i-ten Hirnläsion darstellt,
circfi
eine Schätzung des Umfangs der i-ten Hirnläsion darstellt und
areai
eine Schätzung der Fläche der i-ten Hirnläsion darstellt.
The so-called confluency i , referred to in formula (I), is a measure of the sphericity of individual brain lesions. It is calculated in one embodiment according to formula (II) or formula (III):
Figure DE102015221877A1_0007
in which
WCS
stands for the weighted confluence-sum score,
i
is a summation index that runs across all or a subset of the brain lesions depicted in the image of the brain tissue,
w i
is a weighting factor that quantifies the relevance of the ith brain lesion for a given application,
surf i
represents an estimate of the surface of the ith brain lesion,
vol i
represents an estimate of the volume of the ith brain lesion,
circa i
represents an estimate of the extent of the ith brain lesion and
area i
represents an estimate of the area of the ith brain lesion.

In einer Ausführungsform wird die prozentuale Abschirmung einer Hirnregion (mit A bezeichnet) durch Hirnläsionen als der Prozentsatz von Bildvoxeln (insbesondere im Falle eines dreidimensionalen Bildes) oder Bildpixeln (insbesondere im Falle eines zweidimensionalen Bildes) in einem vorbestimmten, die betrachtete Hirnregion umgebenden Volumen oder einer die betrachtete Hirnregion umgebenden Fläche (mit B bezeichnet), die zu einer Hirnläsion gehören, berechnet. In one embodiment, the percentage shielding of a brain region (denoted by A) by brain lesions is defined as the percentage of image voxels (especially in the case of a three-dimensional image) or image pixels (especially in the case of a two-dimensional image) in a predetermined volume surrounding the considered brain region calculates the area of the surrounding brain area (labeled B) belonging to a brain lesion.

In einer Ausführungsform ist die prozentuale Abschirmung durch Hirnläsionen eine prozentuale Abschirmung durch Hyperintensitäten der weißen Substanz (WMHs). In einer Ausführungsform wird dies gemäß folgender Formel (IV) berechnet:

Figure DE102015221877A1_0008
wobei

SbWMHA
für die prozentuale Abschirmung der betrachteten Hirnregion A durch Hyperintensitäten der weißen Substanz (WMHs) steht und
VB
für die Gesamtzahl der Voxel oder Pixel in einem Volumen oder einer Fläche B steht, die die betrachtete Hirnregion A umgibt
VB(WMH)
für die Anzahl der Voxel oder Pixel in einem Volumen oder einer Fläche B steht, die zu einer WMH gehören.
In one embodiment, the percent shielding by brain lesions is a percent shield by white matter hyperintensities (WMHs). In one embodiment, this is calculated according to the following formula (IV):
Figure DE102015221877A1_0008
in which
SbWMH A
for the percentage shielding of the considered brain region A by hyperintensities of the white matter (WMHs) stands and
V B
represents the total number of voxels or pixels in a volume or area B surrounding the considered brain region A.
V B (WMH)
is the number of voxels or pixels in a volume or area B that belong to a WMH.

Im Gegensatz zum Stand der Technik verwendet der gewichtete Konfluenz-Summen-Score (WCSS) eine Gewichtung von einzelnen erkannten Hirnläsionen, die ihrer Bedeutung entsprechen. Aus dem Stand der Technik ist keine solche Gewichtung von einzelnen erkannten Hirnläsionen beschrieben worden. Zusätzlich gibt der Stand der Technik keinen Vorschlag, einen Summenwert einer Konfluenz von mehreren einzelnen erkannten Hirnläsionen zu berechnen, um einen Biomarker zu erhalten. Tatsächlich wurde im Stand der Technik kein Biomarker beschrieben, der das Muster eines Konfluenzgrads von Hirnläsionen im Gehirn, wie sie z. B. auf Magnetresonanzbildern nachweisbar sind, beschreibt. In contrast to the prior art, the weighted confluence-cumulative score (WCSS) uses a weighting of individual recognized brain lesions corresponding to their significance. No such weighting of individual recognized brain lesions has been described in the prior art. In addition, the prior art does not suggest to calculate a cumulative value of confluence of several single detected brain lesions to obtain a biomarker. In fact, the prior art has not described a biomarker that reflects the pattern of a degree of confluence of brain brain lesions, such as those found in the brain. B. detectable on magnetic resonance images describes.

Die hier beschriebenen neuartigen Biomarker erlauben eine quantitative und Rater-unabhängige Charakterisierung der Struktur des untersuchten Gehirns, insbesondere der Hirnläsionen und damit der Hirnläsionsbelastung im untersuchten Gehirn. Sie ermöglichen auch die quantitative und Rater-unabhängige Charakterisierung der Auswirkungen der Hirnläsionsbelastung auf die Funktion des untersuchten Gehirns. The novel biomarkers described here allow a quantitative and rater-independent characterization of the structure of the examined brain, in particular the brain lesions and thus the brain lesion load in the examined brain. They also allow the quantitative and rater-independent characterization of the effects of brain lesion loading on the function of the examined brain.

Nach dem Stand der Technik wird das Gesamtvolumen (in ml) von Hirnläsionen im gesamten Gehirn als besonders relevant angesehen. Im Rahmen dieser Erfindung wurde jedoch herausgefunden, dass die Form von Hirnläsionen und ihre Position innerhalb des Gehirns zusätzliche nützliche Informationen liefern. In the prior art, the total volume (in ml) of brain lesions throughout the brain is considered to be particularly relevant. However, within the scope of this invention, it has been found that the shape of brain lesions and their position within the brain provide additional useful information.

Die neuen Biomarker liefern Informationen, die unabhängig vom Gesamtvolumen der Hirnläsionen sind und daher in Kombination mit dem Gesamtvolumen der Hirnläsionen (multivariates Modell) besonders nützlich sein können. The new biomarkers provide information that is independent of the total volume of brain lesions and therefore may be particularly useful in combination with the total volume of brain lesions (multivariate model).

Das verwendete Bild kann ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild sein. Im Falle eines zweidimensionalen Bildes, beispielsweise eines (virtuellen) Schnittes durch ein Gehirn, ist häufig bekannt, welcher Tiefe dieser Schnitt zugeordnet werden kann. Mit dieser Tiefeninformation kann das zweidimensionale Bild auch als dreidimensionales Bild betrachtet werden. Zusätzlich kann ein Stapel aus mehreren zweidimensionalen Bildern zusammengelegt werden, um ein (virtuelles) dreidimensionales Bild des Gehirns oder eines Teils des Gehirns zu erzeugen. Alle diese Techniken sind einem Fachmann gut bekannt. The image used may be a two-dimensional or three-dimensional image. In the case of a two-dimensional image, for example a (virtual) cut by a brain, it is often known to which depth this cut can be assigned. With this depth information, the two-dimensional image can also be regarded as a three-dimensional image. In addition, a stack of several two-dimensional images are merged to create a (virtual) three-dimensional image of the brain or part of the brain. All of these techniques are well known to a person skilled in the art.

Stand der Technik, insbesondere Referenzen [12] bis [15], deuten nicht darauf hin, dass die Abschirmung von kortikaler grauer Substanz durch Hirnläsionen, wie Hyperintensitäten der weißen Substanz (WMHs), als Biomarker verwendet werden könnte. Es ist jedoch aus der vorliegenden Erfindung ersichtlich, dass eine prozentuale Abschirmung durch Hirnläsionen, z. B. WMHs, ein sehr gut geeigneter Biomarker ist, um z. B. den Einfluss einer zerebrovaskulären Erkrankung der weißen Substanz auf den kortikalen Glukosestoffwechsel zu charakterisieren. Prior art, particularly references [12] to [15], do not suggest that shielding of cortical gray matter by brain lesions such as white matter hyperintensities (WMHs) could be used as a biomarker. However, it is apparent from the present invention that a percentage of screening by brain lesions, e.g. B. WMHs, is a very suitable biomarker to z. To characterize the influence of a cerebrovascular disease of the white matter on the cortical glucose metabolism.

In einer Ausführungsform basiert der Biomarker SbBL auf dem Nachweis von Hirnläsionen in der sogenannten „fluid-attenuated inversion recovery“ Magnetresonanz-Bildgebung (FLAIR-MRI) als Marker der Beeinträchtigung von axonalen Verbindungen (connectivity). Die Abschirmung, die durch den Biomarker SbBL ausgedrückt wird, kann z. B. zur quantitativen Charakterisierung des Einflusses von beeinträchtigten axonalen Verbindungen auf die kortikale Hirnaktivität, gemessen durch FDG-PET, verwendet werden. In one embodiment, the biomarker SbBL is based on the detection of brain lesions in the so-called "fluid-attenuated inversion recovery" magnetic resonance imaging (FLAIR-MRI) as a marker of impairment of axonal connections (connectivity). The shield, which is expressed by the biomarker SbBL, z. For the quantitative characterization of the influence of impaired axonal connections on cortical brain activity as measured by FDG-PET.

In einer Ausführungsform ist das Tiergehirn das Gehirn eines Säugers, insbesondere eines Nagetiers. Somit können die Biomarker auch zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion des Gehirns in der präklinischen Forschung (Tierbildgebung) verwendet werden. In one embodiment, the animal brain is the brain of a mammal, particularly a rodent. Thus, the biomarkers can also be used to characterize the structure or function of the brain in preclinical research (animal imaging).

In einer Ausführungsform wird die Konfluenz, wie sie gemäß Formel (II) definiert ist, so skaliert, dass der Konfluenzwert 0 für eine Sphäre und größer als 0 für alle anderen Formen steht. In der Praxis ist die Berechnung der Konfluenz durch die Tatsache begrenzt, dass Bilder aus Voxeln mit einer gegebenen Voxelgröße bestehen. So gibt es keine perfekte Sphäre in Bildern mit einer endlichen Voxelgröße, sondern nur "kantige" Approximationen einer Sphäre aus kubischen Voxeln. Computersimulationen, die im Folgenden mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden, zeigten, dass der resultierende Fehler in der Konfluenz für Sphären vernachlässigt werden kann, die aus mindestens 100 Voxeln zusammengesetzt sind. In einer Ausführungsform umfassen die Hirnläsionen daher mindestens 100 Voxel oder Pixel, insbesondere mindestens 150 Voxel oder Pixel, insbesondere mindestens 200 Voxel oder Pixel, insbesondere mindestens 250 Voxel oder Pixel, insbesondere mindestens 300 Voxel oder Insbesondere mindestens 400 Voxel oder Pixel, insbesondere mindestens 400 Voxel oder Pixel, insbesondere mindestens 450 Voxel oder Pixel und ganz besonders mindestens 500 Voxel oder Pixel auf dem Bild. In one embodiment, the confluence as defined according to formula (II) is scaled such that the confluence value is 0 for one sphere and greater than 0 for all other forms. In practice, the calculation of confluence is limited by the fact that images consist of voxels of a given voxel size. Thus, there is no perfect sphere in images with a finite voxel size, but only "edged" approximations of a sphere of cubic voxels. Computer simulations, which will be explained in more detail below with reference to the figures, showed that the resulting error in confluence can be neglected for spheres composed of at least 100 voxels. In one embodiment, the brain lesions therefore comprise at least 100 voxels or pixels, in particular at least 150 voxels or pixels, in particular at least 200 voxels or pixels, in particular at least 250 voxels or pixels, in particular at least 300 voxels or in particular at least 400 voxels or pixels, in particular at least 400 voxels or pixels, in particular at least 450 voxels or pixels, and more particularly at least 500 voxels or pixels in the image.

Da Hirnläsionen durch ihr Auftreten und ihre Nachweisbarkeit in der Regel auf Bildern definiert sind, die durch Magnetresonanztomographie entstanden sind, ist das analysierte Bild in einer Ausführungsform ein Magnetresonanzbild. Eine geeignete Möglichkeit zum Aufzeichnen eines solchen Magnetresonanzbildes ist die Magnetresonanz-Bildgebung auf Basis einer „fluid-attenuated inversion recovery“ (FLAIR) Sequenz. Alternativ kann das Bild durch Magnetic Particle Imaging (MPI) oder durch Positronen-Emissions-Tomographie entstanden sein. Because brain lesions are typically defined by their appearance and detectability on images produced by magnetic resonance imaging, in one embodiment the analyzed image is a magnetic resonance image. A suitable possibility for recording such a magnetic resonance image is magnetic resonance imaging based on a fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) sequence. Alternatively, the image may have been generated by Magnetic Particle Imaging (MPI) or by positron emission tomography.

Während verschiedene Arten von Magnetresonanzbildern im Allgemeinen zum Nachweis von Hirnläsionen verwendet werden können, sind T1-gewichtete und/oder T2(einschließlich FLAIR)-gewichtete und/oder T2*-gewichtete Magnetresonanzbilder besonders zur Erkennung von Hirnläsionen geeignet. While various types of magnetic resonance images can generally be used to detect brain lesions, T1-weighted and / or T2 (including FLAIR) -weighted and / or T2 * -weighted magnetic resonance images are particularly suitable for detecting brain lesions.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines bildbasierten Biomarkers gemäß den vorhergehenden Erläuterungen zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion eines menschlichen oder tierischen Gehirns auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Hirngewebes. Wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. Diese Hirnläsionen können z. B. Hyperintensitäten der weißen Substanz oder Hypo- oder Hyperintensitäten der grauen Substanz sein. In one aspect, the invention relates to the use of an image-based biomarker as described above to characterize the structure or function of a human or animal brain based on an analysis of an image of the brain tissue. The image is suitable for detecting brain lesions. These brain lesions can, for. B. hyperintensities of the white matter or hypo- or hyperintensities of the gray matter.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Hirngewebes unter Verwendung eines bildbasierten Biomarkers gemäß den vorhergehenden Erläuterungen. Wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. In one aspect, the invention also relates to a method of characterizing the structure or function of human or animal brain tissue based on analysis of an image of the brain tissue using an image-based biomarker as described above. The image is suitable for detecting brain lesions.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines bildbasierten Biomarkers gemäß den vorhergehenden Erläuterungen zur Charakterisierung einer Hirnläsionslast im menschlichen oder tierischen Hirngewebe auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Hirngewebes. Wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. In one aspect, the invention relates to the use of an image-based biomarker as described above for characterizing a brain lesion burden in human or animal brain tissue based on an analysis of an image of the brain tissue. The image is suitable for detecting brain lesions.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Charakterisierung einer Hirnläsionslast im menschlichen oder tierischen Hirngewebe auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Hirngewebes unter Verwendung eines bildbasierten Biomarkers gemäß den vorhergehenden Erläuterungen. Wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. In one aspect, the invention also relates to a method of characterizing a brain lesion burden in human or animal brain tissue based on analysis of an image of the brain tissue using an image-based biomarker as described above. The image is suitable for detecting brain lesions.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines bildbasierten Biomarkers gemäß den vorhergehenden Erläuterungen zur Diagnose einer Erkrankung, zur Differenzierung zwischen verschiedenen Erkrankungen (Differentialdiagnose), insbesondere zur Unterscheidung zwischen einer neurodegenerativen Erkrankung und einer zerebrovaskulären Erkrankung oder zur Überwachung des zeitlichen Verlaufs einer Veränderung der Hirnstruktur oder -funktion mit oder ohne Behandlung auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Gehirngewebes, wie des Gehirns. Wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. In one aspect, the invention relates to the use of an image-based biomarker according to the preceding explanations for the diagnosis of a disease, differentiation between different diseases (differential diagnosis), in particular for distinguishing between a neurodegenerative disease and a cerebrovascular disease or for monitoring the time course of a change in the brain structure or function with or without treatment based on an analysis of an image of the brain tissue, such as the brain. The image is suitable for detecting brain lesions.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Diagnose einer Erkrankung, zur Differenzierung zwischen verschiedenen Erkrankungen (Differentialdiagnose), insbesondere zur Unterscheidung zwischen einer neurodegenerativen Erkrankung und einer zerebrovaskulären Erkrankung oder zur Überwachung des zeitlichen Verlaufs einer Veränderung der Hirnstruktur oder -funktion mit oder ohne Behandlung auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Hirngewebes, wie des Gehirns, das einen bildbasierten Biomarkers gemäß den vorhergehenden Erläuterungen verwendet. Wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. In one aspect, the invention also relates to a method for the diagnosis of a disease, for the differentiation between different diseases (differential diagnosis), in particular for distinguishing between a neurodegenerative disease and a cerebrovascular disease or for monitoring the time course of a change in brain structure or function with or without A treatment based on an analysis of an image of the brain tissue, such as the brain, using an image-based biomarker as described above. The image is suitable for detecting brain lesions.

Weitere Verwendungen des Biomarkers oder Methoden, die den Biomarker verwenden, beziehen sich auf den Nachweis der Ursache für den kognitiven Abfall eines Subjekts, das unter kognitiven Einschränkungen leidet. Weitere Verwendungen des Biomarkers oder Methoden, die den Biomarker verwenden, betreffen die Differenzierung zwischen einem Krankheitszustand, der durch Verlust/Dysfunktion von Neuronen und einem Krankheitszustand verursacht wird, der durch Veränderungen des Blutflusses im Hirngewebe eines Patienten verursacht wird. Other uses of the biomarker or methods that use the biomarker relate to demonstrating the cause of the cognitive decline of a subject suffering from cognitive impairment. Other uses of the biomarker or methods using the biomarker relate to the differentiation between a disease state caused by neuronal loss / dysfunction and a disease state caused by changes in blood flow in a patient's brain tissue.

In einer Ausführungsform ist die neurodegenerative Erkrankung die Alzheimer-Krankheit. In one embodiment, the neurodegenerative disease is Alzheimer's disease.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines bildbasierten Biomarkers gemäß den vorhergehenden Erläuterungen zur Beurteilung oder Stratifizierung des Risikos, das mit detektierten subkortikalen Hyperintensitäten in Bezug auf die Entwicklung zukünftiger Hirnstörungen oder hirngebundener Erkrankungen, wie z.B. das Risiko des kognitiven Abfalls oder der Gefahr eines Schlaganfalls innerhalb eines definierten Zeitraums, verbunden ist. Diese definierte Zeitspanne kann z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Jahre betragen. Diese Risikobewertung bzw. Risikostratifizierung wird wiederum auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Hirngewebes durchgeführt. Wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. In one aspect, the invention relates to the use of an image-based biomarker as described above for assessing or stratifying the risk associated with detected subcortical hyperintensities with respect to the development of future brain disorders or brain-related diseases, such as hypertension. the risk of cognitive decline or the risk of stroke within a defined period of time. This defined period of time may e.g. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 years. This risk assessment or risk stratification is in turn carried out on the basis of an analysis of an image of the brain tissue. The image is suitable for detecting brain lesions.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren zur Bewertung oder Stratifizierung des Risikos, das mit erkannten subkortikalen Hyperintensitäten in Bezug auf die Entwicklung zukünftiger Hirnstörungen oder hirngebundener Krankheiten auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Hirngewebes verbunden ist, indem der bildbasierte Biomarker gemäß den vorhergehenden Erläuterungen verwendet wird. Wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. In one aspect, the invention also relates to a corresponding method for assessing or stratifying the risk associated with detected subcortical hyperintensities with respect to the development of future brain disorders or brain-related diseases based on analysis of an image of the brain tissue by using the image-based biomarker according to previous explanations is used. The image is suitable for detecting brain lesions.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein erstes Verfahren zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe. Dabei umfasst das Verfahren die nachfolgend erläuterten Schritte. In one aspect, the invention relates to a first method for characterizing the structure or function of human or animal brain tissue. The method comprises the steps explained below.

In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Bild von menschlichem oder tierischem Hirngewebe bereitgestellt. Wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. In a first method step, an image of human or animal brain tissue is provided. The image is suitable for detecting brain lesions.

In einem anderen Verfahrensschritt werden eine oder mehrere Hirnläsionen – insbesondere automatisch – auf dem Bild erkannt und deren Außenkontur – insbesondere automatisch – eingezeichnet. In another method step, one or more brain lesions - in particular automatically - recognized on the image and its outer contour - in particular automatically - drawn.

In einem anderen Verfahrensschritt wird für jede eingezeichnete Hirnläsion eine Konfluenz berechnet, wobei die Konfluenz ein Maß für die Beziehung zwischen einer Oberfläche der Hirnläsion und einem Volumen der Hirnläsion oder zwischen einem Umfang der Hirnläsion und einer Fläche der Hirnläsion ist. In another method step, a confluence is calculated for each drawn brain lesion, wherein the confluence is a measure of the relationship between a surface of the brain lesion and a volume of the brain lesion or between a circumference of the brain lesion and an area of the brain lesion.

In einem anderen Verfahrensschritt wird ein gewichteter Konfluenz-Summen-Score als eine Summe gewichteter Konfluenzen über alle eingezeichneten Hirnläsion berechnet. In another method step, a weighted confluence-sum score is calculated as a sum of weighted confluence over all plotted brain lesions.

In einem anderen Verfahrensschritt wird ein gewichteter Konfluenz-Summen-Score verwendet, um die Struktur oder Funktion des menschlichen oder tierischen Hirngewebes zu charakterisieren, dessen Bild analysiert worden ist. In another method step, a weighted confluency-sum score is used to characterize the structure or function of the human or animal brain tissue whose image has been analyzed.

In einer Ausführungsform wird jeder eingezeichneten Hirnläsion automatisch ein Gewichtungsfaktor wi zugeordnet. Der Gewichtungsfaktor wi quantifiziert die Relevanz der i-ten Läsion für die interessierende diagnostische Fragestellung. Je größer der Gewichtungsfaktor, desto größer die Relevanz der jeweiligen Läsion. Der Gewichtungsfaktor kann z.B. entweder kontinuierliche (reelle Zahl) oder diskrete (ganzzahlige oder rationale Zahlen) Werte annehmen. In one embodiment, each imaged brain lesion is automatically assigned a weighting factor w i . The weighting factor w i quantifies the relevance of the ith lesion for the diagnostic question of interest. The greater the weighting factor, the greater the relevance of the respective lesion. For example, the weighting factor can take either continuous (real number) or discrete (integer or rational numbers) values.

Der gewichtete Konfluenz-Summen-Score (WCSS) liefert nicht nur Informationen über die Konfluenz der detektierten Hirnläsionen, sondern auch nach Signifikanz gewichtete Informationen über die Relevanz der jeweiligen Hirnläsionen. Damit werden viel mehr signifikante, zuverlässige und relevante Informationen von den in einem Bild des Gehirns erkannten Hirnläsionen extrahiert als es mit nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren möglich ist. The Weighted Confluent Sum Score (WCSS) not only provides information on the confluence of detected brain lesions, but also provides significance-weighted information on the relevance of each brain lesion. Thus, much more significant, reliable and relevant information is extracted from the brain lesions seen in an image of the brain than is possible with prior art methods.

Die Verfahrensschritte können, müssen aber nicht in der oben angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Hiermit wird auch jede andere geeignete Abfolge von Verfahrensschritten offengelegt, die angewendet werden kann, um den gewichteten Konfluenz-Summen-Score (WCSS) zu berechnen. The process steps may, but need not be, performed in the order given above. It also discloses any other suitable sequence of procedures that can be used to calculate the weighted confluency cumulative score (WCSS).

In einer Ausführungsform wird der gewichtete Konfluenz-Summen-Score (WCSS) gemäß Formel (I) berechnet:

Figure DE102015221877A1_0009
wobei

WCSS
für den gewichteten Konfluenz-Summen-Score steht und
i
ein Summationsindex ist, der über alle oder eine beliebige Untergruppe von Hirnläsionen läuft, die auf dem Bild des Gehirns abgrenzbar sind,
In one embodiment, the weighted confluency cumulative score (WCSS) is calculated according to formula (I):
Figure DE102015221877A1_0009
in which
WCS
stands for the weighted confluence-cum score and
i
is a summation index that runs over all or any subset of brain lesions that are delineate on the image of the brain,

In einer Ausführungsform wird die Konfluenz gemäß Formel (II) oder Formel (III) berechnet:

Figure DE102015221877A1_0010
Figure DE102015221877A1_0011
wobei

wi
ein Gewichtungsfaktor ist, der die Relevanz der i-ten Hirnläsion für eine betrachtete Anwendung quantifiziert,
surfi
eine Schätzung der Oberfläche der i-ten Hirnläsion darstellt,
voli
eine Schätzung des Volumens der i-ten Hirnläsion darstellt,
circfi
eine Schätzung des Umfangs der i-ten Hirnläsion darstellt und
areai
eine Schätzung der Fläche der i-ten Hirnläsion darstellt.
In one embodiment, the confluence is calculated according to formula (II) or formula (III):
Figure DE102015221877A1_0010
Figure DE102015221877A1_0011
in which
w i
is a weighting factor that quantifies the relevance of the ith brain lesion for a given application,
surf i
represents an estimate of the surface of the ith brain lesion,
vol i
represents an estimate of the volume of the ith brain lesion,
circa i
represents an estimate of the extent of the ith brain lesion and
area i
represents an estimate of the area of the ith brain lesion.

In einer Ausführungsform ist der Gewichtungsfaktor für Hirnläsionen unterschiedlich, die sich innerhalb verschiedener Hirnregionen befinden. Dabei wird die Relevanz der Lage der Hirnläsion für das zu lösende Problem adäquat berücksichtigt. In one embodiment, the weighting factor is different for brain lesions located within different brain regions. The relevance of the location of the brain lesion is adequately considered for the problem to be solved.

In einer Ausführungsform ist der Gewichtungsfaktor für Hirnläsionen unterschiedlich, die innerhalb der kortikalen grauen Substanz, innerhalb der periventrikulären weißen Substanz, innerhalb der tiefen weißen / grauen Substanz, innerhalb der subkortikalen weißen Substanz oder innerhalb des Hirnstamms liegen. Dabei sind Hirnläsionen, die sich innerhalb des Hirnstamms befinden, als die relevantesten Hirnläsionen zu betrachten. Der höchste Gewichtungsfaktor sollte diesen Hirnläsionen zugeordnet werden. Hirnläsionen mit der zweithöchsten Relevanz sind jene, die sich innerhalb der subkortikalen weißen Substanz befinden. Der zweithöchste Gewichtungsfaktor sollte diesen Hirnläsionen zugeordnet werden. Hirnläsionen mit der dritthöchsten Relevanz befinden sich in der tiefen weißen / grauen Substanz. Der dritthöchste Gewichtungsfaktor sollte diesen Hirnläsionen zugeordnet werden. Hirnläsionen mit der vierthöchsten Relevanz befinden sich innerhalb der periventrikulären weißen Substanz. Der vierthöchste Gewichtungsfaktor sollte diesen Hirnläsionen zugeordnet werden. In one embodiment, the weighting factor is different for brain lesions that are within the cortical gray matter, within the periventricular white matter, within the deep white / gray matter, within the subcortical white matter, or within the brainstem. Brain lesions located within the brainstem are considered to be the most relevant brain lesions consider. The highest weighting factor should be assigned to these brain lesions. The second most relevant brain lesions are those located within the subcortical white matter. The second highest weighting factor should be assigned to these brain lesions. Brain lesions of the third highest relevance are in the deep white / gray matter. The third highest weighting factor should be assigned to these brain lesions. Lesions of the brain with the fourth highest relevance are located within the periventricular white matter. The fourth highest weighting factor should be assigned to these brain lesions.

Die den einzelnen Hirnläsionen zugeordneten Gewichtungsfaktoren können willkürlich gewählt werden. In einer Ausführungsform wird der Gewichtungsfaktor auf 1 gesetzt, wenn sich die Hirnläsion innerhalb der periventrikulären weißen Substanz befindet. Er wird auf 2 gesetzt, wenn die Hirnläsion innerhalb der tiefen weißen / grauen Substanz liegt. Er wird auf 3 gesetzt, wenn sich die Hirnläsion innerhalb der subkortikalen weißen Substanz befindet. Schließlich wird er auf 4 gesetzt, wenn die Hirnläsion innerhalb des Hirnstamms liegt. Die numerischen Unterschiede zwischen diesen Gewichtungsfaktoren sind ausreichend, um die einzelnen Hirnläsionen so zu gewichten, dass dadurch ein signifikanter Biomarker, nämlich der gewichtete Konfluenz-Summen-Score (WCSS), entsteht. The weighting factors assigned to the individual brain lesions can be chosen arbitrarily. In one embodiment, the weighting factor is set to 1 when the brain lesion is within the periventricular white matter. It is set to 2 if the brain lesion is within the deep white / gray matter. It is set to 3 when the brain lesion is within the subcortical white matter. Finally, it is set to 4 if the brain lesion is within the brain stem. The numerical differences between these weighting factors are sufficient to weight each brain lesion to produce a significant biomarker, the weighted confluence-cumulative score (WCSS).

Es könnte der Fall sein, dass sich eine erkannte Hirnläsion über mehr als eine Hirnregion erstreckt. In einem solchen Fall wird der Hirnläsion in einer Ausführungsform der höchste Gewichtungsfaktor der jeweiligen Hirnregion zugeordnet. It could be the case that a recognized brain lesion extends over more than one brain region. In such a case, in one embodiment, the brain lesion is assigned the highest weighting factor of the respective brain region.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein zweites Verfahren zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe. Dabei umfasst das Verfahren die nachfolgend erläuterten Schritte. In one aspect, the invention relates to a second method of characterizing the structure or function of human or animal brain tissue. The method comprises the steps explained below.

In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Bild von menschlichem oder tierischem Hirngewebe bereitgestellt, das geeignet ist, Hirnläsionen darauf zu erkennen. In a first method step, an image of human or animal brain tissue suitable for detecting brain lesions thereon is provided.

In einem anderen Verfahrensschritt wird mindestens eine Hirnläsion auf dem Bild – insbesondere automatisch – erkannt und deren äußere Kontur – insbesondere automatisch – eingezeichnet, wodurch eine Hirnläsionskarte entsteht. In another method step, at least one brain lesion on the image - in particular automatically - detected and their outer contour - in particular automatically - drawn, creating a brain lesion map is created.

In einem anderen Verfahrensschritt wird eine prozentuale Abschirmung durch Hirnläsionen für mindestens einen ausgewählten Hirnbereich berechnet, wobei die prozentuale Abschirmung durch Hirnläsionen eines ausgewählten Hirnbereichs ein Maß für den Anteil einer Umgebung des ausgewählten Hirnbereichs ist, der zu Hirnläsionen gehört. In another method step, a percentage of shielding by brain lesions is calculated for at least one selected brain area, wherein the percentage shielding by brain lesions of a selected brain area is a measure of the proportion of an environment of the selected brain area associated with brain lesions.

In einem anderen Verfahrensschritt wird die prozentuale Abschirmung durch Hirnläsionen des mindestens einen ausgewählten Hirnbereichs verwendet, um die Struktur oder Funktion des menschlichen oder tierischen Hirngewebes zu charakterisieren, dessen Bild analysiert worden ist. In another method step, the percentage shielding by brain lesions of the at least one selected brain area is used to characterize the structure or function of the human or animal brain tissue whose image has been analyzed.

Der ausgewählte Hirnbereich kann ein Voxel oder ein Pixel sein oder er kann eine Fläche oder ein Volumen von z. B. 10 ml oder mehr, 20 ml oder mehr, 30 ml oder mehr, 40 ml oder mehr, 50 ml oder mehr, 60 ml oder mehr, 70 ml oder mehr, 80 ml oder mehr, 90 ml oder mehr oder 100 ml oder mehr umfassen. Das oben genannte Umgebungsvolumen kann dieselben Werte haben. The selected brain area may be a voxel or a pixel or may have an area or volume of e.g. 10 ml or more, 20 ml or more, 30 ml or more, 40 ml or more, 50 ml or more, 60 ml or more, 70 ml or more, 80 ml or more, 90 ml or more or 100 ml or more. The above environment volume may have the same values.

In einer Ausführungsform werden die ausgewählten Hirnbereiche zur Berechnung ihrer prozentualen Abschirmung durch Hirnläsionen nach den folgenden Verfahrensschritten ausgewählt. In one embodiment, the selected brain areas are selected to calculate their percentage shielding by brain lesions according to the following method steps.

In einem ersten Verfahrensschritt wird ein zweites Bild des gleichen menschlichen oder tierischen Hirngewebes bereitgestellt, wobei das zweite Bild dazu geeignet ist, andere Informationen über die Hirnstruktur oder -funktion als das erste Bild zu liefern. Um ein Beispiel zu geben, könnte das zweite Bild geeignet sein, Informationen über (synaptische) Funktion und Dysfunktion des Hirngewebes bereitzustellen. Normalerweise wird das zweite Bild durch eine andere bildgebende Technik als das erste Bild erzeugt. In a first method step, a second image of the same human or animal brain tissue is provided, the second image being adapted to provide other information about the brain structure or function than the first image. To give an example, the second image could be useful to provide information about (synaptic) function and dysfunction of the brain tissue. Normally, the second image is generated by a different imaging technique than the first image.

In einem anderen Verfahrensschritt wird die Läsionskarte mit dem zweiten Bild anatomisch in Übereinstimmung gebracht (koregistriert). In another method step, the lesion map is anatomically aligned with the second image (coregistered).

In einem anderen Verfahrensschritt werden die in Übereinstimmung gebrachte (koregistrierte) Läsionskarte und das zweite Bild in einen anatomischen Standardraum stereotaktisch normalisiert. Dieser anatomische Standardraum kann auch als Template oder Atlasraum bezeichnet werden. Es wird ein normalisiertes zweites Bild erzeugt. In another method step, the coincident (registered) lesion map and the second image are stereotactically normalized to a standard anatomical space. This Standard anatomical space can also be referred to as a template or atlas space. A normalized second image is created.

In einem anderen Verfahrensschritt wird das normalisierte zweite Bild mit mindestens einem äquivalenten Referenzbild von mindestens einem Referenzsubjekt verglichen, um eine Effektkarte zu erzeugen, die Hirnbereiche anzeigt, in denen sich eine Eigenschaft (wie die Intensität) des zweiten Bildes vom Referenzbild unterscheidet. Die Effektkarte kann z. B. eine Karte des Hypometabolismus sein, die hypometabolische Bereiche oder Voxel im Gehirn anzeigt. Dieser Vergleich kann in einer Ausführungsform Voxel- oder Pixel-basiert erfolgen. In another method step, the normalized second image is compared to at least one equivalent reference image of at least one reference subject to produce an effect map indicating brain areas in which a property (such as the intensity) of the second image differs from the reference image. The effect card can be z. For example, it may be a map of hypometabolism indicating hypometabolic regions or voxels in the brain. This comparison may be voxel-or pixel-based in one embodiment.

In einer Ausführungsform ist der Vergleich ein statistischer Vergleich, der z. B. eine statistisch-parametrische Karte des Hypometabolismus für das jeweilige Gehirn erzeugt. Auch andere Vergleichsverfahren sind möglich. Anstelle des einzelnen gesunden Subjekts als Referenzsubjekt kann eine Gruppe von gesunden Kontrollpersonen (gesunde Kontrolldatenbank) zum Vergleich herangezogen werden. In one embodiment, the comparison is a statistical comparison, e.g. For example, a statistical parametric map of hypometabolism is generated for each brain. Other comparison methods are possible. Instead of the individual healthy subject as a reference subject, a group of healthy control persons (healthy control database) can be used for comparison.

In einem anderen Verfahrensschritt wird die prozentuale Abschirmung durch Hirnläsionen für jeden Hirnbereich auf der Effektkarte berechnet. In another method step, the percentage shielding is calculated by brain lesions for each brain area on the effect map.

Um ein Beispiel zu geben, kann für jedes hypometabolische Voxel eine prozentuale Abschirmung von Hyperintensitäten der weißen Substanz (in einem vordefinierten Volumen) als Anteil der benachbarten Voxeln der weißen Substanz berechnet werden, die von Hyperintensitäten der weißen Substanz betroffen sind. As an example, for each hypometabolic voxel, a percentage of white matter hyperintensity (in a predefined volume) of the white matter adjacent to the voxels affected by hyperintensities of the white matter can be calculated.

Die strukturelle oder funktionelle Charakterisierung des Hirngewebes kann dann verwendet werden, um zwischen einer zerebrovaskulären Erkrankung und einer neurodegenerativen Erkrankung zu unterscheiden. Insbesondere wird durch die Anwendung des Biomarkers SbWMH (als Beispiel für den Biomarker SbBL) das Risiko einer Fehlinterpretation der WMH-assoziierten Veränderung in FDG-PET als Indikation für eine neurodegenerative Erkrankung signifikant reduziert. The structural or functional characterization of the brain tissue can then be used to distinguish between a cerebrovascular disease and a neurodegenerative disease. In particular, the use of the biomarker SbWMH (as an example of the biomarker SbBL) significantly reduces the risk of a misinterpretation of WMH-associated alteration in FDG-PET as an indication for neurodegenerative disease.

Die Verfahrensschritte können, müssen aber nicht in der oben angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Hiermit wird auch jede andere geeignete Folge von Verfahrensschritten offengelegt, die angewendet werden kann, um den Biomarker SbBL zu erhalten. The process steps may, but need not be, performed in the order given above. It also discloses any other suitable sequence of procedures that can be used to obtain the biomarker SbBL.

In einer Ausführungsform wird das erste Bild mittels struktureller MRT-Bildgebung erstellt, wie FLAIR-MRT oder T1-gewichtete MRT. In one embodiment, the first image is created using structural MRI imaging, such as FLAIR MRI or T1 weighted MRI.

In einer Ausführungsform wird das zweite Bild durch Positronen-Emissions-Tomographie mit F-18-Fluorodeoxyglucose (FDG-PET) erstellt. In one embodiment, the second image is created by positron emission tomography with F-18 fluorodeoxyglucose (FDG-PET).

In einer Ausführungsform wird die prozentuale Abschirmung durch Hirnläsionen (SbBL) für jedes Pixel oder Voxel in der Effektkarte berechnet und dann auf das zweite Bild überlagert, um so eine prozentuale Abschirmung besser zu visualisieren. Das resultierende Bild kann mit einem Bild verglichen werden, bei dem die Effektkarte dem zweiten Bild überlagert ist. Die visuelle Beurteilung dieser beiden Überlagerungen vereinfacht die Interpretation der SbBL. In one embodiment, the percentage shielding by brain lesions (SbBL) for each pixel or voxel in the effect map is calculated and then superimposed on the second image so as to better visualize a percentage of shielding. The resulting image can be compared to an image where the effect map overlays the second image. The visual assessment of these two overlays simplifies the interpretation of the SbBL.

Die oben erläuterten Verfahren werden üblicherweise durchgeführt, um zuvor erhaltene Bilder zu bewerten. So können sie auch als in-vitro Methoden bezeichnet werden. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können die oben erläuterten Verfahren alternativ oder zusätzlich während der Aufzeichnung der zu analysierenden Bilder durchgeführt werden. In diesem Aspekt können die Verfahren auch als in-vivo- oder in-situ-Verfahren bezeichnet werden. The above-explained methods are usually performed to evaluate previously obtained images. So they can also be referred to as in vitro methods. In one aspect of the present invention, the methods discussed above may alternatively or additionally be performed during the recording of the images to be analyzed. In this aspect, the methods may also be referred to as in vivo or in situ methods.

Die oben erläuterten Verfahren werden üblicherweise durchgeführt, um Daten bereitzustellen, die später verwendet werden können, um einem Arzt bei der Diagnose einer bestimmten Störung oder Krankheit zu helfen. In einem Aspekt umfassen die beanspruchten Verfahren den Schritt der Herstellung einer solchen Diagnose. The methods discussed above are commonly performed to provide data that may later be used to assist a physician in diagnosing a particular disorder or illness. In one aspect, the claimed methods include the step of making such a diagnosis.

Die oben erläuterten Verfahren zur Bestimmung der beschriebenen Biomarker unter Verwendung von Bildern, wie MR-Bildern des menschlichen oder tierischen Gehirns, können mit Hilfe eines (Computer-)Systems vollautomatisch durchgeführt werden. Ein solches System zur Durchführung des Verfahrens umfasst verschiedene Verfahren, um die einzelnen Aufgaben bewerkstelligen zu können. The methods explained above for determining the described biomarkers using images, such as MR images of the human or animal brain, can be carried out fully automatically with the aid of a (computer) system. Such a system for carrying out the method comprises various methods in order to be able to accomplish the individual tasks.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Softwareprogramm, das in der Lage ist, mindestens ein Verfahren gemäß einer der vorstehenden Erläuterungen auszuführen, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird. In one aspect, the invention relates to a software program capable of performing at least one method as described above when executed on a computer.

In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium, auf dem ein Hirnstruktur-Beurteilungsprogramm gespeichert ist, das eine Informationsverarbeitungsvorrichtung (wie etwa einen Computer) veranlasst, mindestens ein Verfahren gemäß einer der vorstehenden Erläuterungen auszuführen. In another aspect, the invention relates to a non-transitory computer readable medium having stored therein a brain structure judging program that causes an information processing device (such as a computer) to execute at least one method as described above.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen können beliebig kombiniert werden. Zusätzlich können mit Bezug auf einen der beschriebenen Biomarker erläuterte Ausführungsformen, die beschriebenen Verwendungen, die beschriebenen Verfahren und das beschriebene Computerprogramm auf alle anderen der beschriebenen Biomarker, die beschriebenen Verwendungen, die beschriebenen Verfahren und das beschriebene Computerprogramm in beliebiger Weise übertragen werden. The above-described embodiments may be arbitrarily combined. In addition, embodiments described with respect to any of the described biomarkers, the described uses, the described methods, and the described computer program may be arbitrarily translated to all other of the described biomarkers, the described uses, the described methods, and the described computer program.

Aspekte der Erfindung werden anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Aspects of the invention will be explained in more detail with reference to figures and exemplary embodiments.

Figuren characters

1A zeigt eine transversale Schicht eines FLAIR-MR-Bildes ohne Abgrenzung subkortikaler Hyperintensitäten; 1A shows a transverse layer of a FLAIR MR image without delineating subcortical hyperintensities;

1B zeigt eine transversale Schicht eines FLAIR-MR-Bildes mit der Abgrenzung subkortikaler Hyperintensitäten; 1B shows a transverse layer of a FLAIR MR image with the delineation of subcortical hyperintensities;

2A zeigt transversale Schichten einer anatomischen Karte eines Gehirns; 2A shows transverse layers of an anatomical map of a brain;

2B zeigt Schichten eines T1-gewichteten MR-Bildes, die dieselbe anatomische Orientierung wie die Schichten von 2A aufweisen; 2 B shows layers of a T1-weighted MR image, the same anatomical orientation as the layers of 2A exhibit;

3 zeigt die Ergebnisse einer Computersimulation auf der Basis von Sphären, die aus einer variierenden Anzahl von kubischen Voxeln zusammengesetzt sind; 3 shows the results of a computer simulation on the basis of spheres composed of a varying number of cubic voxels;

4A zeigt die Ergebnisse einer Computersimulation des gewichteten Konfluenz-Summen-Scores (WCSS) von unterschiedlich geformten Läsionen in transversaler Ansicht; 4A shows the results of a computer simulation of the weighted confluence-cumulative score (WCSS) of differently shaped lesions in a transverse view;

4B zeigt die Ergebnisse einer Computersimulation des gewichteten Konfluenz-Summen-Scores (WCSS) von unterschiedlich geformten Läsionen in koronarer Ansicht; 4B shows the results of a computer simulation of the weighted confluence-cumulative score (WCSS) of differently shaped lesions in a coronal view;

5 zeigt die Konfluenz von Quadern mit unterschiedlicher Länge; 5 shows the confluence of cuboids of different lengths;

6 zeigt eine ROC-Kurve des WCSS zur Differenzierung zwischen Patienten mit vaskulär bedingtem kognitiven Abfall und Patienten ohne relevante zerebrovaskuläre Erkrankung; 6 shows a WCOC ROC curve for differentiation between patients with vascular cognitive decline and patients without relevant cerebrovascular disease;

7A zeigt FDG-PET-Bilder des Gehirns eines Patienten mit Alzheimer-Krankheit; 7A shows FDG PET images of the brain of a patient with Alzheimer's disease;

7B zeigt FDG-PET-Bilder des Gehirns eines gesunden Subjekts; 7B shows FDG PET images of the brain of a healthy subject;

8A zeigt FDG-PET-Bilder des Gehirns eines Patienten, bei dem vermutet wird, dass er eine Alzheimer-Krankheit aufweist; 8A shows FDG-PET images of the brain of a patient suspected of having Alzheimer's disease;

8B zeigt T1-MR-Bilder des gleichen Patienten wie 8A 8B shows T1-MR images of the same patient as 8A

9A zeigt eine parametrische Karte des Hypometabolismus eines Patienten, die auf FDG-PET-Bilder des Gehirns des gleichen Patienten überlagert wurde; und 9A shows a parametric map of the hypometabolism of a patient superimposed on FDG-PET images of the brain of the same patient; and

9B zeigt eine parametrische SbWMH-Karte und eine WMH-Läsionskarte, die mit FDG-PET-Bildern des Gehirns des gleichen Patienten wie in 9A überlagert wurde. 9B Figure 5 shows a parametric SbWMH map and a WMH lesion map superimposed on FDG PET images of the same patient's brain as in Figure 9A.

10 zeigt schematisch eine Hirnregion (als A bezeichnet), die durch eine Hirnläsion (als BL bezeichnet) abgeschirmt wird, die sich in einer Umgebung (als B bezeichnet) um die betrachtete Hirnregion (A) befindet. 10 schematically shows a brain region (referred to as A), which is shielded by a brain lesion (referred to as BL), which is located in an environment (referred to as B) to the considered brain region (A).

1A zeigt eine transversale Schicht eines FLAIR-MR-Bildes ohne Abgrenzung subkortikaler Hyperintensitäten. Derartige transversale Schichten sind aus dem Stand der Technik bekannt. 1B zeigt eine transversale Schicht eines FLAIR-MR-Bildes mit eingezeichneten subkortikalen Hyperintensitäten. In dieser Figur kann eine große konfluierende Läsion gut von einer kleinen sphärischen Läsion unterschieden werden. 1A shows a transverse layer of a FLAIR MR image without delineating subcortical hyperintensities. Such transverse layers are known in the art. 1B shows a transverse layer of a FLAIR MR image with subcortical hyperintensities plotted. In this figure, a large confluent lesion can be well distinguished from a small spherical lesion.

Eine Abgrenzung, wie in 1B gezeigt, wird in einem Verfahren verwendet, das im folgenden ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wird. Die 2A bis 6 werden mit Bezug auf dieses erste Ausführungsbeispiel erläutert. Die 7A bis 10 werden mit Bezug auf ein zweites Ausführungsbeispiel erläutert. A demarcation, as in 1B is shown in a method described in the following first embodiment. The 2A to 6 will be explained with reference to this first embodiment. The 7A to 10 will be explained with reference to a second embodiment.

Erstes Ausführungsbeispiel: First embodiment:

Berechnung eines gewichteten Konfluenz-Summen-Scores (WCSS) Calculation of a Weighted Confluence Sum Score (WCSS)

Das Ausführungsbeispiel betrifft ein (Computer-)System zur vollautomatischen Bestimmung eines gewichteten Konfluenz-Summen-Scores (WCSS). Dieses System verwendet Magnetresonanz-(MR-)Bilddaten des menschlichen Gehirns. Es beginnt mit der automatischen Erkennung aller Hirnläsionen im MR-Bild und der genauen Abgrenzung ihrer äußeren Kontur. Ein beispielhaftes Ergebnis ist in 1B gezeigt. Das System implementiert einen Algorithmus zur automatischen Erkennung von FLAIR-hyperintensiven Läsionen der weißen Substanz, die von Schmidt et al. zur Anwendung bei Multipler Sklerose vorgeschlagen wurde [3]. The exemplary embodiment relates to a (computer) system for the fully automatic determination of a weighted confluence-sum score (WCSS). This system uses magnetic resonance (MR) image data of the human brain. It begins with the automatic detection of all brain lesions in the MR image and the exact delineation of their outer contour. An exemplary result is in 1B shown. The system implements an algorithm for the automatic detection of FLAIR hyperintensive white matter lesions caused by Schmidt et al. has been proposed for use in multiple sclerosis [3].

Dieser Schmidt-Algorithmus erzeugt eine dreidimensionale Hyperintensitätskarte, die dann binarisiert wird. Die binarisierte Hyperintensitätskarte wird dann unter Verwendung der Routine spm_bwlabel aus dem Softwarepaket "Statistical Parametric Mapping“ (Version SPM8, http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/) in separate Hyperintensitätsläsionen geclustert. Diese Routine identifiziert verbundene Komponenten auf der Grundlage eines zu definierenden Konnektivitätskriteriums. Sechs benachbarte Voxel (auf der Oberfläche) wurden hier als Konnektivitätskriterium definiert. This Schmidt algorithm generates a three-dimensional hyperintensity map, which is then binarized. The binarized hyperintensity map is then extracted from the software package using the spm_bwlabel routine "Statistical Parametric Mapping" (Version SPM8, http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/) clustered into separate hyperintensity lesions. This routine identifies connected components based on a connectivity criterion to be defined. Six adjacent voxels (on the surface) were defined here as the connectivity criterion.

Dann berechnet das System die Konfluenz für jede Hirnläsion gemäß Formel (II)

Figure DE102015221877A1_0012
Then the system calculates the confluency for each brain lesion according to formula (II)
Figure DE102015221877A1_0012

Oberfläche und Volumen der Hyperintensitätsläsion werden durch Zählen von Voxeln, wie in der geclusterten Hyperintensitätskarte definiert, berechnet. Dies ist rechnerisch sehr effizient. The surface area and volume of the hyperintensity lesion are calculated by counting voxels as defined in the clustered hyperintensity map. This is computationally very efficient.

Der Gewichtungsfaktor wi für eine gegebene Hyperintensitätsläsion wird nach seiner Lokalisation im Gehirn definiert: wi = 1, 2, 3, 4, wenn sich die Läsion innerhalb der periventrikulären weißen Substanz, innerhalb der tiefen weißen / grauen Substanz, innerhalb der subkortikalen weißen Substanz oder innerhalb des Hirnstamms befindet. Die Zuordnung der Läsion zu diesen vier verschiedenen Regionen basiert auf einer anatomischen Karte, die zuvor aus den von SPM8 bereitgestellten Gewebewahrscheinlichkeiten erstellt wurde. Diese anatomische Karte ist in 2A dargestellt, wobei die subkortikale weiße Substanz in dunkelrot, tiefweiße / graue Substanz in grün, periventrikuläre weiße Substanz in orange und der Hirnstamm in blau dargestellt ist. Für eine bessere anatomische Orientierung zeigt 2B entsprechende Schichten eines T1-gewichteten MR-Bildes. Überdeckt eine Hyperintensitätsläsion mehr als eine Region, wird ihr der höchste Gewichtungsfaktor dieser Läsionen zugewiesen. The weighting factor w i for a given Hyperintensitätsläsion is defined by its location in the brain: w i = 1, 2, 3, 4, if the lesion within the periventricular white matter, within the deep white / gray matter, within the subcortical white matter or within the brainstem. The assignment of the lesion to these four different regions is based on an anatomical map previously created from the tissue probabilities provided by SPM8. This anatomical map is in 2A in which the subcortical white substance is shown in dark red, deep white / gray matter in green, periventricular white matter in orange and the brain stem in blue. For a better anatomical orientation shows 2 B corresponding layers of a T1-weighted MR image. If a hyperintensity lesion covers more than one region, it will be assigned the highest weighting factor of those lesions.

Schließlich wird der gewichtete Konfluenz-Summen-Score (WCSS) gemäß Formel (V) berechnet,

Figure DE102015221877A1_0013
Finally, the weighted confluence-cumulative score (WCSS) is calculated according to formula (V),
Figure DE102015221877A1_0013

Die einzelnen Parameter haben die gleiche Bedeutung wie im Fall der Formel (I). Der einzige Unterschied zwischen Formel (I) und (V) ist, dass im Fall der Formel (V) m als Anzahl der analysierten Hirnläsionen verwendet wird. Dabei bezieht sich m auf die Gesamtzahl der Hyperintensitätsläsionen in der Hyperintensitätskarte, die aus mindestens 100 Voxeln bestehen. The individual parameters have the same meaning as in the case of the formula (I). The only difference between formula (I) and (V) is that in the case of formula (V), m is the number of brain lesions analyzed is used. M refers to the total number of hyperintensity lesions in the hyperintensity map, consisting of at least 100 voxels.

Das soeben beschriebene System wurde durch die folgenden Experimente erfolgreich validiert:

  • • Der von Schmidt und Mitarbeitern vorgeschlagene Algorithmus für FLAIR-Hyperintensitätsläsionen bei Multipler Sklerose wurde bei 44 geriatrischen Patienten (mittleres Alter 80 Jahre) mit unklarer kognitiver Beeinträchtigung erfolgreich validiert.
  • • Wie oben bereits ausgeführt, gibt es keine perfekte Sphäre in MR-Bildern, sondern nur "kantige" Approximationen einer Sphäre aus kubischen Voxeln. Computersimulationen von Sphären, die sich aus einer variierenden Anzahl von kubischen Voxeln zusammensetzten, zeigten, dass der resultierende Fehler in der Konfluenz für Sphären aus mindestens 100 Voxeln vernachlässigt werden kann. Die entsprechenden Ergebnisse sind in 3 gezeigt. Für Sphären, die aus mindestens 100 Voxeln zusammengesetzt sind, nähert sich die Konfluenz Null, d.h. dem Wert einer idealen Sphäre.
  • • Computer-Simulationen wurden durchgeführt, um zu zeigen, dass die Konfluenz gemäß Formel (II) tatsächlich ein nützliches Maß für die Konfluenz von Hirnläsionen ist. Insbesondere wurden 6 sphärische Läsionen mit jeweils 10 mm Radius und ein Quader, der die Verschmelzung der 6 Sphären zu einer einzigen zusammenhängenden Läsion simuliert, analysiert. Die Ergebnisse sind in den 4A und 4B dargestellt. Der berechnete WCSS war für das Muster, das aus den 6 sphärischen Läsionen bestand, fast Null, während er für den Quader 0,74 betrug (alle Gewichtungsfaktoren wurden auf 1 gesetzt). Wenn die Zahl der sphärischen Läsionen, die zu einem Quader zusammenfielen, erhöht wurde, zeigte der WCSS des Quaders eine kontinuierliche Zunahme. Die entsprechenden Ergebnisse sind in 5 zu sehen. Die Figur zeigt, dass die Konfluenz eines Quaders kontinuierlich mit seiner Länge zunimmt, d.h. mit der Anzahl der sphärischen Läsionen, aus denen der Quader zusammengesetzt wurde. Der WCSS des Musters der sphärischen Läsionen blieb nahezu null, unabhängig von der Anzahl der sphärischen Läsionen (alle Gewichtungsfaktoren wurden auf 1 gesetzt).
  • • In einer klinischen Evaluation betrug die Fläche unter einer Receiver-Operating Characteristic (ROC) Kurve für die Differenzierung zwischen Patienten mit einem vaskulär-bedingtem kognitiven Abfall und Patienten ohne relevante zerebrovaskuläre Erkrankung in Bezug auf den WCSS 0,830. Dies ist in 6 gezeigt. Dies zeigt deutlich, dass der WCSS klinisch nützlich ist.
The system just described has been successfully validated by the following experiments:
  • • The algorithm proposed by Schmidt and co-workers for FLAIR hyperintensity lesions in multiple sclerosis was successfully validated in 44 geriatric patients (mean age 80 years) with unknown cognitive impairment.
  • • As stated above, there is no perfect sphere in MR images, but only "edged" approximations of a sphere of cubic voxels. Computer simulations of spheres composed of a varying number of cubic voxels showed that the resulting error in confluency can be neglected for spheres of at least 100 voxels. The corresponding results are in 3 shown. For spheres composed of at least 100 voxels, the confluence approaches zero, that is, the value of an ideal sphere.
  • • Computer simulations were performed to show that the confluence according to formula (II) is indeed a useful measure of the confluence of brain lesions. Specifically, 6 spherical lesions each 10 mm in radius and a cuboid simulating the fusion of 6 spheres into a single contiguous lesion were analyzed. The results are in the 4A and 4B shown. The calculated WCSS was almost zero for the pattern consisting of the 6 spherical lesions, while it was 0.74 for the cuboid (all weighting factors were set to 1). When the number of spherical lesions that collapsed into a cuboid was increased, the WCSS of the cuboid showed a continuous increase. The corresponding results are in 5 to see. The figure shows that the confluence of a cuboid increases continuously with its length, ie with the number of spherical lesions from which the cuboid was assembled. The WCSS of the pattern of spherical lesions remained nearly zero regardless of the number of spherical lesions (all weighting factors were set to 1).
  • • In a clinical evaluation, the area under a Receiver-Operating Characteristic (ROC) curve for the differentiation between patients with a vascular cognitive decline and those without a relevant cerebrovascular disease with respect to the WCSS was 0.830. This is in 6 shown. This clearly shows that the WCSS is clinically useful.

Zweites Ausführungsbeispiel: Second embodiment:

Berechnung einer prozentualen Abschirmung durch Hyperintensitäten der weißen Substanz (SbWMH) Calculation of Percent Screening by Hyperintensities of White Substance (SbWMH)

Pathophysiologische Veränderungen im Gehirn, die durch neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit verursacht werden, betreffen Veränderungen der Hirnaktivität (synaptische Dysfunktion). Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) des Gehirns mit dem Glukose-Analogon F-18-Fluorodeoxyglucose (FDG PET) liefert Biomarker für (synaptische) Funktion und Dysfunktion, wie in den 7A und 7B dargestellt. Pathophysiological changes in the brain caused by neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease affect changes in brain activity (synaptic dysfunction). The positron emission tomography (PET) of the brain with the glucose analog F-18 fluorodeoxyglucose (FDG PET) provides biomarkers for (synaptic) function and dysfunction, as shown in the 7A and 7B shown.

7A zeigt FDG-PET-Bilder des Gehirns eines Patienten mit der Alzheimer-Krankheit. Diese Bilder zeigen eine Verringerung der Hirnaktivität in den meisten Hirnregionen mit Ausnahme des visuellen und motorischen Kortex, der subkortikalen Hirnstrukturen und des Kleinhirns im Vergleich zu einem gesunden Probanden (siehe 7B). Am deutlichsten ist die Reduktion im hinteren Cingulum / Preuneus-Bereich und am parietotemporalen Kortex (durch Pfeile angedeutet). Dieses Muster ist typisch für die Alzheimer-Krankheit. Die Reduktion der Hirnaktivität wird hauptsächlich durch reduzierte synaptische Aktivität verursacht. Obwohl es einen Verlust von Hirngewebe (Atrophie) bei der Alzheimer-Krankheit gibt, ist seine Auswirkung auf das Gehirn FDG-PET eher klein, zumindest im frühen Stadium der Krankheit. Bei starker Atrophie kann die Wirkung auf die FDG-PET durch partielle Volumenkorrektur berücksichtigt werden. 7A shows FDG-PET images of the brain of a patient with Alzheimer's disease. These images show a reduction in brain activity in most brain regions except the visual and motor cortex, the subcortical brain structures, and the cerebellum compared to a healthy subject (see 7B ). Most notable is the reduction in the posterior cingulate / preuneus area and parietotemporal cortex (indicated by arrows). This pattern is typical of Alzheimer's disease. The reduction of brain activity is mainly caused by reduced synaptic activity. Although there is a loss of brain tissue (atrophy) in Alzheimer's disease, its effect on the FDG-PET brain is rather small, at least in the early stages of the disease. In case of severe atrophy, the effect on the FDG-PET can be considered by partial volume correction.

Bei älteren Patienten wird jedoch der Nachweis von synaptischer Dysfunktion, die mit neurodegenerativer Erkrankung assoziiert ist, durch eine hohe Rate von vaskulärer Komorbidität kompliziert, beispielsweise durch Infarkte des Gehirns unterschiedlicher Größe. Dies ist in den 8A und 8B dargestellt. 8A zeigt Gehirn-FDG-PET-Bilder eines Patienten, der vermutlich die Alzheimer-Krankheit hat. Das Muster der Reduktion im PET ähnelt tatsächlich dem typischen Muster einer Alzheimer-Krankheit (siehe 7A). Jedoch zeigt eine Betrachtung des MRTs des gleichen Patienten (in 8B dargestellt) mehrere Infarkte und eine starke Erkrankung der weißen Substanz (angezeigt durch Pfeile). Diese vaskuläre Pathologie erklärt vollständig die abnormen Befunde in der FDG PET. Daher gibt es keine Anzeichen einer Alzheimer-Krankheit bei diesem Patienten. Der Patient leidet unter einem vaskulär-bedingten kognitiven Rückgang. However, in the elderly, evidence of synaptic dysfunction associated with neurodegenerative disease is complicated by a high rate of vascular comorbidity, for example, brain infarcts of varying size. This is in the 8A and 8B shown. 8A shows brain FDG-PET images of a patient who is believed to have Alzheimer's disease. The pattern of reduction in PET is actually similar to the typical pattern of Alzheimer's disease (see 7A ). However, a consideration of the MRI of the same patient (in 8B shown) multiple infarcts and a strong white matter disease (indicated by arrows). This vascular pathology fully explains the abnormal findings in FDG PET. Therefore, there is no evidence of Alzheimer's disease in this patient. The patient suffers from a vascular cognitive decline.

Es ist offensichtlich, dass es keine FDG-Aufnahme in Infarktgewebe (Narbe) gibt. Ob eine Verringerung der FDG-Aufnahme die direkte Folge eines Infarkts ist, lässt sich sehr leicht durch Koregistrierung von T1- und/oder T2-gewichteten MRTs (bei denen die meisten Infarkte deutlich sichtbar sind) mit einem FDG-PET testen. Jedoch können nicht nur Infarkte, sondern auch eine Beeinträchtigung der axonalen Verbindungen aufgrund einer Unterbrechung von Axonbahnen eine verminderte synaptische Aktivität, sowohl in den benachbarten, als auch in den entfernten grauen Substanzbereichen verursachen. It is obvious that there is no FDG uptake in infarct tissue (scar). Whether a reduction in FDG uptake is the direct result of infarction is easily assessed by coregistering T1 and / or T2-weighted MRI (most infarcts are clearly visible) with FDG PET. However, not only infarcts but also impairment of axonal connections due to disruption of axonal pathways can cause diminished synaptic activity in both the adjacent and distant gray matter areas.

Da Hyperintensitäten der weißen Substanz als spezifische Hirnläsionen zu betrachten sind, ist der neue Biomarker SbWMH eine Ausführungsform des Biomarkers SbBL (Abschirmung durch Hirnläsionen). Es ist ein Marker der Beeinträchtigung der axonalen Verbindungen in Form einer prozentualen Abschirmung der kortikalen Hirnregionen durch Hyperintensitäten der weißen Substanz. Since white matter hyperintensities are to be considered as specific brain lesions, the new biomarker SbWMH is one embodiment of the biomarker SbBL (brain lesion screening). It is a marker of impairment of axonal connections in the form of a percentage shielding of the cortical brain regions by hyperintensities of the white matter.

Eine Verarbeitungskette zur vollautomatischen Berechnung und Anzeige von SbWMH wurde als MATLAB-Skript implementiert. Für einige Verarbeitungsschritte werden Werkzeuge aus dem „Statistical Parametric Mapping“-Softwarepaket verwendet (Version SPM8). Die Verarbeitungskette umfasst die folgenden Schritte. A processing chain for the fully automatic calculation and display of SbWMH was implemented as a MATLAB script. Some processing steps use tools from the Statistical Parametric Mapping software package (SPM8 version). The processing chain includes the following steps.

Extraktion der Hyperintensitäten der weißen Substanz aus strukturellen MRT-Bildern Extraction of hyperintensities of white matter from structural MRI images

Die "Lesion Segmentation Toolbox", ein frei verfügbares Add-on zu SPM8, wird verwendet, um WMHs aus den strukturellen MRT-Bildern des Patienten zu extrahieren. Die Toolbox benötigt eine hochaufgelöste T1-gewichtete MRT und eine FLAIR-MRT als Eingangsgrößen. Die Toolbox liefert eine binäre Läsionskarte zur Abgrenzung der WMHs im nativen Raum des Patienten. The "Lesion Segmentation Toolbox", a freely available add-on to SPM8, is used to extract WMHs from the patient's structural MRI images. The toolbox requires a high-resolution T1-weighted MRI and a FLAIR MRI as input variables. The toolbox provides a binary lesion map to delineate the WMHs in the patient's native space.

Koregistrierung und räumliche Normalisierung der Läsionskarte und der FDG PET-Bilder Coregistration and spatial normalization of lesion map and FDG PET images

Eine Standard-SPM-Koregisterung wird verwendet, um die Läsionskarte mit den FDG-PET-Bildern zu registrieren. Der SPM-Normalisierungsalgorithmus dient der Umwandlung von koregistrierten Bildern in den anatomischen Raum des Montreal Neurological Institute (MNI). A standard SPM registry is used to register the lesion map with the FDG PET images. The SPM normalization algorithm is used to convert coregistered images into the anatomical space of the Montreal Neurological Institute (MNI).

Erzeugung der Hypometabolismuskarte Generation of the Hypometabolism card

Ein (homoskedastischer) t-Test für zwei unabhängige Proben wird verwendet, um das normalisierte FDG-PET des Patienten mit den normalisierten FDG-PETs einer Datenbank von altersentsprechenden gesunden Kontrollen zu vergleichen. Die globale FDG-Aufnahme wird als Referenzwert für die Intensitätsskalierung vor dem statistischen Test verwendet. Eine reduzierte skalierte FDG-Aufnahme ist definiert als "Hypometabolismus", wenn p ≤ 0,001. Dies führt zu einer parametrischen Karte des Hypometabolismus. Eine derartige Hypometabolismuskarte ist in 9A gezeigt, die eine parametrische Hypometabolismuskarte (blaue Kleckse) darstellt, die dem FDG-PET des Patienten überlagert ist. A (homoskedastic) t-test for two independent samples is used to compare the patient's normalized FDG-PET with the normalized FDG-PETs of a database of age-matched healthy controls. The global FDG image is used as a reference for the intensity scaling before the statistical test. A reduced scaled FDG uptake is defined as "hypometabolism" when p ≤ 0.001. This leads to a parametric map of hypometabolism. Such a hypometabolism map is in 9A showing a parametric hypometabolism map (blue blobs) superimposed on the patient's FDG-PET.

Voxel-weise Berechnung der SbWMH Voxel-wise calculation of SbWMH

Die SbWMH wird für jedes hypometabolische Voxel als Anteil der benachbarten Voxeln der weißen Substanz, die von WMH betroffen sind, berechnet (10). Die Voxel der weißen Substanz, die zusammen ein Volumen von 50 ml ergeben und am nächsten zu den hypometabolischen Voxeln liegen, werden als "Nachbarschaft" verwendet. Weiße Substanz wird durch eine binäre Maske definiert, die aus den a priori Gewebewahrscheinlichkeiten, die für die WMH-Läsionssegmentierung verwendet werden, erzeugt wurde. Die SbWMH-Werte werden in einer dreidimensionalen parametrischen Karte gespeichert. The SbWMH is calculated for each hypometabolic voxel as a proportion of the adjacent white matter voxels affected by WMH ( 10 ). The white matter voxels, which together make up a volume of 50 ml and closest to the hypometabolic voxels, are used as the "neighborhood". White matter is defined by a binary mask generated from the a priori tissue probabilities used for WMH lesion segmentation. The SbWMH values are stored in a three-dimensional parametric map.

Darstellung presentation

Das in SPM8 implementierte Slover-Tool wird verwendet, um die SbWMH-Karte (als Kleckse mit der Farbkarte „jet“) zusammen mit der WMH-Läsionsmaske (als Kontur) und dem FDG-PET-Bild des Patienten im MNI-Raum zu überlagern. Eine entsprechende Karte ist in 9B gezeigt, die eine parametrische SbWMH-Karte („jet“-farbige Kleckse) und eine WMH-Läsionskarte (rote Konturen) darstellt, die dem FDG-PET überlagert sind. Die SbWMH-Werte sind quantitativ: SbWMH = 50 bedeutet, dass bis zu 50% der am nächsten gelegenen Voxel der weißen Substanz, die zusammen ein Volumen von 50 ml ergeben, von WMHs betroffen sind. Als Folge davon wird der Hypometabolismus in diesem Voxel höchstwahrscheinlich durch benachbarte WMHs verursacht, d.h. der Hypometabolismus ist auf eine zerebrovaskuläre Erkrankung zurückzuführen und sehr wahrscheinlich kein Anzeichen einer neurodegenerativen Erkrankung. The SPM8-implemented Slover tool is used to superimpose the SbWMH card (as blots on the color chart "jet") with the WMH lesion mask (as a contour) and the patient's FDG PET image in the MNI space , A corresponding card is in 9B showing a parametric SbWMH map ("jet" blots) and a WMH lesion map (red contours) superimposed on the FDG PET. The SbWMH values are quantitative: SbWMH = 50 means that up to 50% of the nearest white matter voxels, which together make up a volume of 50 ml, are affected by WMHs. As a result, hypometabolism in this voxel is most likely caused by neighboring WMHs, ie, hypometabolism is due to cerebrovascular disease and most likely not a sign of neurodegenerative disease.

In dem in den 9A und 9B dargestellten Beispiel kann der Hypometabolismus im linken seitlichen frontalen Kortex, der linke parietotemporale Kortex und im Preuneus durch WMHs (grüne Pfeile) erklärt werden. Der Hypometabolismus im medialen frontalen Kortex wird wahrscheinlich nicht durch WMHs verursacht, er könnte vielmehr eine unspezifische Wirkung des Alters sein (roter Pfeil). Der Patient leidet wahrscheinlich nicht an der Alzheimer-Krankheit (AD), obwohl das Muster des Hypometabolismus dem typischen AD-Muster ähnlich ist. Somit vermindert in diesem Fall die SbWMH-Karte das Risiko einer Fehlinterpretation der Strukturveränderungen des Gehirns im Sinne einer AD. In the in the 9A and 9B For example, the hypometabolism in the left lateral frontal cortex, the left parietotemporal cortex, and the precuneus can be explained by WMHs (green arrows). The hypometabolism in the medial frontal cortex is probably not caused by WMHs, but could be a non-specific effect of age (red arrow). The patient is unlikely to suffer from Alzheimer's disease (AD), although the pattern of hypometabolism is similar to the typical AD pattern. Thus, in this case, the SbWMH card reduces the risk of misinterpreting the structural changes of the brain in terms of AD.

Die grundlegende Idee, die der prozentualen Abschirmung durch Hirnläsionen zugrunde liegt, ist in 10 dargestellt. Die prozentuale Abschirmung einer Gehirnregion A durch Hirnläsionen wird als der Prozentsatz der Bildvoxel oder Bildpixel berechnet, die zu einer Hirnläsion BL in einem vorbestimmten Volumen oder einer vorbestimmten Fläche gehören (B), die die betrachtete Gehirnregion A umgeben. Es können mehr als eine Hirnläsion BL in dem vorbestimmten Volumen oder der vorbestimmten Fläche B vorhanden sein, die alle zur prozentualen Abschirmung von A beitragen. The basic idea that underlies the percentage shielding by brain lesions is in 10 shown. The percentage shielding of brain region A by brain lesions is calculated as the percentage of image voxels or image pixels belonging to a brain lesion BL in a predetermined volume or area (B) surrounding the considered brain region A. There may be more than one brain lesion BL in the predetermined volume or area B, all of which contribute to the percentage shielding of A.

Liste der in den vorangegangenen Abschnitten zitierten Literaturstellen List of references cited in the previous sections

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Claims (15)

Bildbasierter Biomarker zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe basierend auf einem Bild des Hirngewebes, wobei das Bild mindestens eine Hirnläsion zeigt, dadurch gekennzeichnet, dass der bildbasierte Biomarker mindestens aus der Gruppe bestehend aus einem gewichteten Konfluenz-Summen-Score und einer prozentualen Abschirmung durch Hirnläsionen ausgewählter ist, • der gewichtete Konfluenz-Summen-Score eine Summe gewichteter Konfluenzen über mindestens eine Hirnläsion auf dem Bild ist, wobei die Konfluenz ein Maß einer Beziehung zwischen einer Oberfläche der Hirnläsion und einem Volumen der Hirnläsion oder zwischen einem Umfang der Hirnläsion und einer Fläche der Hirnläsion ist, und • wobei die prozentuale Abschirmung einer Hirnregion durch Hirnläsionen ein Maß für einen Anteil von Hirnläsionsbereichen in einer Umgebung der betrachteten Hirnregion ist. An image-based biomarker for characterizing the structure or function of human or animal brain tissue based on an image of the brain tissue, wherein the image exhibits at least one brain lesion, characterized in that the image-based biomarker is at least one of a weighted confluence-sum score and a the weighted confluency-sum score is a sum of weighted confluence over at least one brain lesion on the image, wherein the confluence is a measure of a relationship between a surface of the brain lesion and a volume of the brain lesion or between a circumference of the brain lesion Brain lesion and an area of the brain lesion, and • wherein the percentage shielding of a brain region by brain lesions is a measure of a proportion of brain lesion areas in an environment of the considered brain region. Bildbasierter Biomarker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtete Konfluenz-Summen-Score gemäß Formel (I) berechnet wird:
Figure DE102015221877A1_0014
wobei die Konfluenz der i-ten Hirnläsion entsprechend der Formel (II) oder Formel (III) berechnet wird:
Figure DE102015221877A1_0015
wobei WCSS für den gewichteten Konfluenz-Summen-Score steht, i ein Summationsindex ist, der über alle oder eine Untergruppe der Hirnläsionen läuft, die auf dem Bild des Hirngewebes abgebildet sind wi ein Gewichtungsfaktor ist, der die Relevanz der i-ten Hirnläsion für eine betrachtete Anwendung quantifiziert, surfi eine Schätzung der Oberfläche der i-ten Hirnläsion darstellt, voli eine Schätzung des Volumens der i-ten Hirnläsion darstellt, circfi eine Schätzung des Umfangs der i-ten Hirnläsion darstellt und areai eine Schätzung der Fläche der i-ten Hirnläsion darstellt.
Image-based biomarker according to claim 1, characterized in that the weighted confluence-cumulative score according to formula (I) is calculated:
Figure DE102015221877A1_0014
wherein the confluence of the ith brain lesion is calculated according to formula (II) or formula (III):
Figure DE102015221877A1_0015
where WCSS stands for the weighted confluence-sum score, i is a summation index that traverses all or a subset of the brain lesions that are imaged on the image of the brain tissue w i is a weighting factor that evaluates the relevance of the ith brain lesion for quantified a considered application, surf i represents an estimate of the surface of the ith brain lesion, vol i represents an estimate of the volume of the ith brain lesion, circf i represents an estimate of the extent of ith brain lesion, and area i an estimate of the area represents the i th brain lesion.
Bildbasierter Biomarker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die prozentuale Abschirmung einer Hirnregion (A) durch Hirnläsionen als der Prozentsatz von Bildvoxeln oder Bildpixeln in einem vorbestimmten, die Hirnregion (A) umgebenden Volumen oder einer die Hirnregion (A) umgebenden Fläche (B), die zu einer Hirnläsion (BL) gehören, und nach Formel (IV) berechnet wird: SbBLA = 100·VB(BL)/VB (IV) wobei SbBLA für die prozentuale Abschirmung der betrachteten Hirnregion A durch Hirnläsionen (BL) steht, VB für die Gesamtzahl von Bildvoxeln oder Bildpixeln in einem vordefinierten Volumen oder einer vordefinierten Fläche (B) steht, die die betrachtete Hirnregion (A) umgeben, und VB(BL) für die Zahl von Bildvoxeln oder Bildpixeln in B steht, die zu einer Hirnläsion gehören.  Image-based biomarker according to claim 1,characterized, in that the percentage shielding of a brain region (A) by brain lesions as the percentage of image voxels or image pixels in a predetermined volume surrounding the brain region (A) or an area (B) surrounding the brain region (A) belongs to a brain lesion (BL) , and calculated according to formula (IV): SbBL A = 100 * V B (BL) / V B (IV) in which SORLA represents the percentage shielding of the considered brain region A by brain lesions (BL), VB  represents the total number of image voxels or image pixels in a predefined volume or area (B) surrounding the considered brain region (A), and VB(BL) is the number of image voxels or image pixels in B that belong to a brain lesion. Bildbasierter Biomarker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild ein Magnetresonanzbild oder ein Positronen-Emissions-Tomographie-Bild oder ein Magnetic-Particle-Imaging-Bild ist. Image-based biomarker according to one of the preceding claims, characterized in that the image is a magnetic resonance image or a positron emission tomography image or a magnetic particle imaging image. Verwendung eines bildbasierten Biomarkers nach den vorhergehenden Ansprüchen zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Hirngewebes, wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen. Use of an image-based biomarker according to the preceding claims for characterizing the structure or function of human or animal brain tissue based on analysis of an image of the brain tissue, which image is suitable for detecting brain lesions thereon. Verwendung eines bildbasierten Biomarkers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Charakterisierung einer Hirnläsionsbelastung im menschlichen oder tierischen Hirngewebe auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes des Hirngewebes, wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen.  Use of an image-based biomarker according to any one of claims 1 to 4 for characterizing a brain lesion strain in human or animal brain tissue based on an analysis of an image of the brain tissue, which image is suitable for detecting brain lesions thereon. Verwendung eines bildbasierten Biomarkers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Diagnose einer Erkrankung, zur Unterscheidung zwischen verschiedenen Erkrankungen oder zur Überwachung des zeitlichen Verlaufs einer Veränderung der Hirnstruktur oder -funktion mit oder ohne Behandlung auf der Grundlage einer Analyse eines Bildes von Hirngewebe, wobei das Bild geeignet ist, darauf Hirnläsionen zu erkennen.  Use of an image-based biomarker according to any one of claims 1 to 4 for diagnosing a disease, distinguishing between different diseases or monitoring the time course of a change in brain structure or function, with or without treatment, based on analysis of a brain tissue image; Image is suitable to detect brain lesions. Verfahren zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe, die folgenden Schritte umfassend: • Bereitstellen eines Bildes von menschlichem oder tierischem Hirngewebe, wobei das Bild dazu geeignet ist, Hirnläsionen darauf zu erkennen. • Erkennen mindestens einer Hirnläsion auf dem Bild und Einzeichnen seiner Außenkontur, • Berechnung einer Konfluenz für jede abgegrenzte Hirnläsion, wobei die Konfluenz ein Maß für eine Beziehung zwischen einer Oberfläche der Hirnläsion und einem Volumen der Hirnläsion oder zwischen einem Umfang der Hirnläsion und der Fläche der Hirnläsion ist, • Berechnen eines gewichteten Konfluenz-Summen-Scores als eine Summe gewichteter Konfluenzen über alle eingezeichneten Hirnläsionen, • Verwendung des gewichteten Konfluenz-Summen-Scores zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion des menschlichen oder tierischen Hirngewebes, dessen Bild analysiert worden ist.  A method of characterizing the structure or function of human or animal brain tissue comprising the steps of: Providing an image of human or animal brain tissue, which image is capable of detecting brain lesions thereon. Detecting at least one brain lesion on the image and drawing its outer contour, Calculation of confluence for each demarcated brain lesion, where confluency is a measure of a relationship between a surface of the brain lesion and a volume of the brain lesion or between a perimeter of the brain lesion and the area of the brain lesion, Calculating a weighted confluency sum score as a sum of weighted confluence over all marked brain lesions; Use of the weighted confluence-sum score to characterize the structure or function of the human or animal brain tissue whose image has been analyzed. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtete Konfluenz Summen-Score gemäß Formel (I) berechnet wird:
Figure DE102015221877A1_0016
wobei die Konfluenz einer i-ten Läsion gemäß der Formel (II) oder Formel (III) berechnet wird:
Figure DE102015221877A1_0017
wobei WCSS für den gewichteten Konfluenz-Summen-Score steht, i ein Summationsindex ist, der über alle oder eine Untergruppe der Hirnläsionen läuft, die auf dem Bild des Hirngewebes eingezeichnet sind wi ein Gewichtungsfaktor ist, der die Relevanz der i-ten Hirnläsion für eine betrachtete Anwendung quantifiziert, surfi eine Schätzung der Oberfläche der i-ten Hirnläsion darstellt, voli eine Schätzung des Volumens der i-ten Hirnläsion darstellt, circfi eine Schätzung des Umfangs der i-ten Hirnläsion darstellt und areai eine Schätzung der Fläche der i-ten Hirnläsion darstellt.
A method according to claim 8, characterized in that the weighted confluency sum score according to formula (I) is calculated:
Figure DE102015221877A1_0016
wherein the confluence of an ith lesion is calculated according to formula (II) or formula (III):
Figure DE102015221877A1_0017
where WCSS stands for the weighted confluence-sum score, i is a summation index that passes over all or a subset of the brain lesions plotted on the image of the brain tissue w i is a weighting factor that determines the relevance of the ith brain lesion for quantified a considered application, surf i represents an estimate of the surface of the ith brain lesion, vol i represents an estimate of the volume of the ith brain lesion, circf i represents an estimate of the extent of ith brain lesion, and area i an estimate of the area represents the i th brain lesion.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor für sich in unterschiedlichen Hirnregionen befindlichen Hirnläsionen unterschiedlich ist. A method according to claim 9, characterized in that the weighting factor is different for located in different brain regions brain lesions. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor für Hirnläsionen unterschiedlich ist, die sich innerhalb kortikaler grauer Materie, innerhalb periventrikulärer weißer Substanz, innerhalb der tiefen weißen / grauen Substanz, innerhalb subkortikaler weißer Substanz oder innerhalb des Hirnstamms befinden. A method according to claim 9 or 10, characterized in that the weighting factor is different for brain lesions located within cortical gray matter, within periventricular whites Substance, within the deep white / gray matter, located within subcortical white matter or within the brainstem. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbreitung einer Hirnläsion über mehr als eine Hirnregion dieser Hirnläsion der höchste Gewichtungsfaktor der jeweiligen Hirnregionen zugeordnet ist. A method according to claim 10 or 11, characterized in that is associated with a spread of a brain lesion over more than one brain region of this brain lesion, the highest weighting factor of the respective brain regions. Verfahren zur Charakterisierung der Struktur oder Funktion von menschlichem oder tierischem Hirngewebe, die folgenden Schritte umfassend: • Bereitstellen eines Bildes von menschlichem oder tierischem Hirngewebe, wobei das Bild dazu geeignet ist, Hirnläsionen darauf zu erkennen, • Erkennen mindestens einer Hirnläsion auf dem Bild und Einzeichnen der äußeren Kontur, wodurch eine Läsionskarte entsteht, • Berechnen einer prozentualen Abschirmung durch Hirnläsionen für mindestens einen ausgewählten Hirnbereich, wobei die prozentuale Abschirmung des ausgewählten Hirnbereichs durch Hirnläsionen ein Maß für den Anteil einer Umgebung des ausgewählten Hirnbereichs ist, der zu Hirnläsionen gehört. • Verwendung der prozentualen Abschirmung durch Hirnläsionen des mindestens einen ausgewählten Hirnbereichs, um die Struktur oder Funktion des menschlichen oder tierischen Hirngewebes zu charakterisieren, dessen Bild analysiert worden ist.  A method of characterizing the structure or function of human or animal brain tissue comprising the steps of: Providing an image of human or animal brain tissue, the image being adapted to recognize brain lesions thereon, • detecting at least one brain lesion on the image and drawing the outer contour, creating a lesion map, • calculating a percentage shield by brain lesions for at least one selected brain area, wherein the percentage shielding of the selected brain area by brain lesions is a measure of the proportion of an environment of the selected brain area associated with brain lesions. Using the percentage shielding by brain lesions of the at least one selected brain area to characterize the structure or function of the human or animal brain tissue whose image has been analyzed. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Hirnbereiche zur Berechnung ihrer prozentualen Abschirmung durch Hirnläsionen nach den folgenden Schritten ausgewählt werden • Bereitstellen eines zweiten Bildes des gleichen menschlichen oder tierischen Hirngewebes, wobei das zweite Bild dazu geeignet ist, andere Informationen über die Hirnstruktur oder -funktion als das erste Bild zu liefern, • anatomische Koregistrierung der Läsionskarte mit dem zweiten Bild, • stereotaktische Normalisierung des zweiten Bildes zusammen mit der koregistrierten Läsionskarte in einen anatomischen Standardraum, um ein normalisiertes zweites Bild zu erhalten, • Vergleichen des normalisierten zweiten Bildes mit mindestens einem äquivalenten Referenzbild von mindestens einem Referenzsubjekt, um eine Effektkarte zu erzeugen, die Hirnbereiche anzeigt, in denen sich eine Eigenschaft des zweiten Bildes von dem Referenzbild unterscheidet, • Berechnung der prozentualen Abschirmung durch Hirnläsionen für jeden Hirnbereich auf der Effektkarte. A method according to claim 13, characterized in that the selected brain areas are selected for calculating their percentage shielding by brain lesions according to the following steps: providing a second image of the same human or animal brain tissue, the second image being capable of providing other information about the brain structure or -function as the first image, • anatomical coregistration of the lesion map with the second image, • stereotactic normalization of the second image together with the coregistered lesion map into a standard anatomical space to obtain a normalized second image, • comparing the normalized second image having at least one equivalent reference image of at least one reference subject to produce an effect map indicating brain areas where a property of the second image differs from the reference image, • calculating the percent abs Brain lesions for each brain area on the effect map. Computerprogrammprodukt, das ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12 und / oder nach einem der Ansprüche 13 oder 14 durchführt, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.  A computer program product that performs a method according to any one of claims 8 to 12 and / or any one of claims 13 or 14 when executed on a computer.
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